IT202100033143A1 - Photoacoustic spectroscopy sensor for trace gas detection and method for trace gas detection - Google Patents
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Description
Sensore basato su spettroscopia fotoacustica per la rivelazione di gas in traccia e metodo per la rivelazione di gas in traccia Photoacoustic spectroscopy based sensor for trace gas detection and method for trace gas detection
L'invenzione descritta in questo documento riguarda un sensore fotoacustico per la rivelazione di determinate specie di gas in traccia. In particolare, l?invenzione ? un metodo per la misura di gas in traccia sfruttando un fenomeno fotoacustico. The invention described in this document concerns a photoacoustic sensor for the detection of certain trace gas species. In particular, the invention ? a method for measuring trace gases by exploiting a photoacoustic phenomenon.
Nell?analisi di gas molecolari in traccia, i ricercatori lavorano alacremente per migliorare la sensibilit?, la robustezza e diminuire il costo della strumentazione come richiesto dall?industria e della comunit? scientifica. Ad esempio, ? stata sviluppata la tecnica denominata SCAR , descritta nel WO 2017/055606, consente di raggiungere sensibilit? record dell'ordine di poche parti per quadrilione (10<-15>). In the analysis of molecular trace gases, researchers are working hard to improve the sensitivity, robustness and decrease the cost of instrumentation as required by industry and the community. scientific. For example, ? the technique called SCAR, described in WO 2017/055606, has been developed, it allows to achieve sensitivity? records of the order of a few parts per quadrillion (10<-15>).
Purtroppo, tali prestazioni cos? elevate sono possibili con costi relativamente elevati, una limitata trasportabilit? e componenti abbastanza sofisticate. Anche le moderne tecniche di spettroscopia fotoacustiche (PAS), quali la spettroscopia fotoacustica con cantilever (?cantilever-enhanced photo-acoustic spectroscopy -CEPAS?), la spettroscopia fotoacustica con diapason in quarzo (?quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy -QEPAS?) oltre ad alcune varianti che utilizzando cavit? per incrementare l?effetto fotoacustico, conosciute allo stato dell?arte consentono di raggiungere alte sensibilit? nella misura. Ad esempio, con sensori QEPAS standard sono state ottenute sensibilit? nella misura di concentrazione di SF6 dell?ordine di 50 parti per trilione (10<-12>) come descritto nel lavoro ? Unfortunately, such performance is so? high are possible with relatively high costs, limited transportability? and fairly sophisticated components. Even modern photoacoustic spectroscopy (PAS) techniques, such as photoacoustic spectroscopy with cantilever (?cantilever-enhanced photo-acoustic spectroscopy -CEPAS?), photoacoustic spectroscopy with quartz tuning fork (?quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy -QEPAS?) as well as to some variants that using cavities? to increase the photoacoustic effect, known in the state of the art, they allow high sensitivities to be achieved. in measurement. For example, sensitivities have been obtained with standard QEPAS sensors? in the measurement of SF6 concentration of the order of 50 parts per trillion (10<-12>) as described in the work ?
Opt. Lett.37, 4461 (2012)? nel quale sono stati impiegati elementi economici, gli allineamenti ottici non sono critici con la prospettiva di fabbricare sistemi molto compatti. Inoltre, questa tecnica consente nuove implementazioni che possono migliorarne le prestazioni. Sono disponibili sul mercato sensori commerciali come ad esempio quelli prodotti da compagnie come la Thorlabs. Opt. Lett.37, 4461 (2012)? in which economical elements have been employed, the optical alignments are not critical with the prospect of fabricating very compact systems. Furthermore, this technique allows for new implementations that can improve its performance. Commercial sensors such as those produced by companies such as Thorlabs are available on the market.
I sensori Cepas attualmente sono disponibili con unico design del cantilever (forma rettangolare) e con un unico schema di rivelazione, usando un interferometro standard. Le varianti di questo sistema sulle quali si sono concentrati vari gruppi di ricerca riguardano il design della cella acustica e il supporto del cantilever. Tali sensori sono commercializzati dalla compagnia finladese Alcuni aspetti di tali sensori sono descritti ad esempio nei documenti US 7,738,116 e US 9,170,397. Cepas sensors are currently available with a single cantilever design (rectangular shape) and with a single detection scheme, using a standard interferometer. The variations of this system on which various research groups have focused concern the design of the acoustic cell and the support of the cantilever. These sensors are marketed by the Finnish company. Some aspects of these sensors are described for example in documents US 7,738,116 and US 9,170,397.
Recentemente, impiegando un sensore CEPAS, nel lavoro ? Recently, using a CEPAS sensor, in the work ?
Sci. Rep. 8, 1848 (2018)?, ? stata dimostrata una rivelazione di HF oltre la parte per trilione (sub-ppt), ottenute utilizzando una sorgente ad alta potenza molto complessa (Oscillatore Ottico Parametrico -Optical Parametric Oscillator). Di conseguenza, questo risultato dimostra l?alto potenziale della tecnica CEPAS e delle sue possibili implementazioni. Sci. Rep. 8, 1848 (2018)?, ? HF detection beyond the part per trillion (sub-ppt) was demonstrated, obtained using a very complex high power source (Optical Parametric Oscillator). Consequently, this result demonstrates the high potential of the CEPAS technique and its possible implementations.
La presente invenzione riguarda un sensore fotoacustico e ad un metodo per la rivelazione di gas in traccia per raggiungere sensibilit? relativamente alte. In particolare, il sensore e il metodo descritto permettono di risolvere (almeno parzialmente) alcuni problemi di instabilit? (drift) nel tempo del sensore. Inoltre, il sensore e il metodo dell?invenzione permettono di mediare il segnale ottenuto dalla misure su scale di tempo lunghe, incrementando la sensibilit? ed evitando effetti sistematici nella determinazione della concentrazione delle specie presenti in traccia nel campione di gas. The present invention relates to a photoacoustic sensor and a method for detecting trace gases to achieve sensitivity relatively high. In particular, the sensor and the described method allow to resolve (at least partially) some instability problems. (drift) over sensor time. Furthermore, the sensor and the method of the invention allow the signal obtained from measurements to be averaged over long time scales, increasing the sensitivity. and avoiding systematic effects in determining the concentration of trace species present in the gas sample.
Secondo un primo aspetto, l?invenzione riguarda un sensore fotoacustico per la rivelazione spettroscopica di gas comprendente: According to a first aspect, the invention concerns a photoacoustic sensor for the spectroscopic detection of gases comprising:
-Una camera atta a contenere il gas da analizzare; -A chamber suitable for containing the gas to be analysed;
-Una sorgente laser di eccitazione preparato per emettere un fascio laser modulato in ampiezza o frequenza, il quale ? assorbito dal gas presente nella camera e che crea una onda di pressione; -An excitation laser source prepared to emit a laser beam modulated in amplitude or frequency, which is absorbed by the gas present in the chamber and which creates a pressure wave;
-Un trasduttore, il trasduttore collocato all?interno della camera, ? atto per essere posto in oscillazione dall?onda di pressione, il trasduttore avente una porzione riflettente; -A transducer, the transducer placed inside the chamber, is adapted to be set into oscillation by the pressure wave, the transducer having a reflective portion;
- Un interferometro avente i un primo e un secondo braccio e una uscita, in cui il primo braccio termina nel trasduttore e il secondo braccio includendo un elemento che cambia il cammino ottico e un attuatore connesso al all?elemento che cambia il cammino ottico del secondo braccio dell?interferometro; - An interferometer having first and second arms and an output, wherein the first arm terminates in the transducer and the second arm including an optical path-changing element and an actuator connected to the optical path-changing element of the second interferometer arm;
- Un primo divisore di fascio polarizzatore; - A first polarizing beam splitter;
- Una seconda sorgente laser per la lettura interferometrica, adatta per emettere un secondo fascio laser che incide sul primo divisore di fascio polarizzatore, il primo divisore di fascio essendo adatto a dividere il secondo fascio laser nel primo e secondo braccio dell?interferometro, in modo tale che il fascio diviso che attraversa il primo braccio venga retroriflesso dalla porzione riflettente del trasduttore e il fascio diviso che attraversa il secondo braccio sia retroriflesso dall?elemento che cambia il cammino ottico, in modo tale che i fasci divisi retroriflessi risultanti interferiscano nell?interferometro, - A second laser source for interferometric reading, suitable for emitting a second laser beam which affects the first polarizing beam splitter, the first beam splitter being suitable for dividing the second laser beam into the first and second arms of the interferometer, so such that the split beam passing through the first arm is back-reflected by the reflective portion of the transducer, and the split beam passing through the second arm is back-reflected by the path-changing element, such that the resulting retro-reflected split beams interfere in the interferometer ,
- Un secondo divisore di fascio polarizzatore atto a dividere la radiazione interferente in uscita dall?interferometro in due fasci che sono polarizzati ortogonalmente; - A second polarizing beam splitter designed to divide the interfering radiation exiting the interferometer into two beams which are polarized orthogonally;
- Un primo rivelatore atto a rivelare di uno dei due fasci polarizzati ortogonalmente uscenti dell?interferometro e a generare un primo segnale di interferenza corrispondente; - A first detector capable of detecting one of the two orthogonally polarized beams coming out of the interferometer and generating a first corresponding interference signal;
- Un secondo rivelatore atto a rivelare l?altro dei due fasci polarizzati ortogonalmente uscenti dell?interferometro e a generare un secondo segnale di interferenza corrispondente; - A second detector capable of detecting the other of the two orthogonally polarized beams coming out of the interferometer and generating a second corresponding interference signal;
- Un circuito elettronico configurato per ottenere un segnale differenza, il segnale differenza essendo funzione della differenza tra il segnale generato dal primo rivelatore e il segnale generato dal secondo rivelatore; - An electronic circuit configured to obtain a difference signal, the difference signal being a function of the difference between the signal generated by the first detector and the signal generated by the second detector;
- Un ciclo di retroazione atto a comandare i movimenti dell?attuatore al fine di cambiare il cammino ottico del secondo braccio in modo tale che il segnale differenza sia tenuto uguale ad un valore costante desiderato durante le misure di concentrazione di gas. - A feedback loop designed to control the movements of the actuator in order to change the optical path of the second arm in such a way that the difference signal is kept equal to a desired constant value during gas concentration measurements.
Secondo un aspetto differente, l?invenzione riguarda un metodo per la rivelazione di concentrazione di gas per mezzo di un fenomeno fotoacustico, il metodo comprendendo: According to a different aspect, the invention concerns a method for detecting gas concentration by means of a photoacoustic phenomenon, the method comprising:
- Fornire una camera dove ? collocato un gas la cui concentrazione ? da misurare; - Provide a room where ? placed a gas whose concentration ? to measure;
- Fornire un trasduttore nella camera, il trasduttore comprendendo una porzione riflettente; - Provide a transducer in the chamber, the transducer including a reflective portion;
- Generare un?onda di pressione nella camera per mezzo di un fascio laser di eccitazione modulato diretto nella camera, in accordo con il fenomeno fotoacustico, l?onda di pressione mettendo il trasduttore in oscillazione; - Generate a pressure wave in the chamber by means of a modulated excitation laser beam directed into the chamber, in accordance with the photoacoustic phenomenon, the pressure wave by placing the transducer in oscillation;
- far incidere il secondo fascio laser sulla porzione riflettente del trasduttore; - make the second laser beam impact on the reflective portion of the transducer;
- Fornire un interferometro avente un primo braccio che termina nel trasduttore e un secondo braccio terminante nell?elemento che cambia il cammino ottico configurato in modo da variare la lunghezza di cammino del secondo braccio; - Provide an interferometer having a first arm terminating in the transducer and a second arm terminating in the element that changes the optical path configured to vary the path length of the second arm;
- dirigere un secondo fascio laser verso l?interferometro, il secondo fascio laser formando un primo fascio retroriflesso quando viene riflesso dal trasduttore e un secondo fascio retroriflesso quando ? riflesso dall'elemento che cambia il cammino ottico; - direct a second laser beam towards the interferometer, the second laser beam forming a first retroreflected beam when it is reflected by the transducer and a second retroreflected beam when ? reflected by the element that changes the optical path;
- Creare una interferenza tra il primo e il secondo fascio retroriflessi; - Create an interference between the first and second retroreflective beams;
- dividere i fasci interferenti retroriflessi in un primo e secondo fascio di interferenza; - divide the retroreflected interfering beams into a first and second interference beam;
- Polarizzare il primo e/o il secondo fascio di interferenza in modo che i loro assi di polarizzazione siano mutuamente perpendicolari; - Polarize the first and/or second interference beams so that their polarization axes are mutually perpendicular;
- Rivelare il primo fascio di interferenza e il secondo fascio di interferenza generando un primo e un secondo segnale; - Detect the first interference beam and the second interference beam generating a first and a second signal;
- Generare un segnale differenza funzione della differenza tra il primo segnale e il secondo segnale; - Generate a difference signal as a function of the difference between the first signal and the second signal;
- Definire un valore di punto di lavoro del segnale differenza; - Define a working point value of the difference signal;
- Adattare la lunghezza del cammino ottico del secondo ramo agendo sull?attuatore in modo tale che il segnale differenza sia mantenuto uguale al valore di punto di lavoro durante la misura della concentrazione di gas. - Adapt the length of the optical path of the second branch by acting on the actuator in such a way that the difference signal is kept equal to the working point value during the measurement of the gas concentration.
Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione, un diverso dispositivo in grado di controllare il cammino ottico dell?interferometro pu? essere sostituito con attuatori, ad esempio un cristallo liquido o un elemento elettro-ottico o un qualsiasi altro dispositivo in grado di cambiare la fase della radiazione. According to one embodiment of the invention, a different device capable of controlling the optical path of the interferometer can be replaced with actuators, for example a liquid crystal or an electro-optical element or any other device capable of changing the phase of the radiation.
Si noti che la caratteristica di ?il secondo rivelatore atto a rivelare l?altro dei due fasci polarizzati ortogonalmente uscenti dell?interferometro ed a generare un secondo segnale di interferenza corrispondente? rappresenta uno schema di rivelazione differenziale centrato in zero che ? ottenuto quando i due fasci hanno polarizzazioni perfettamente ortogonali. Qualsiasi sbilanciamento della polarizzazione fa un segnale diverso da zero. Note that the characteristic of the second detector is capable of detecting the other of the two orthogonally polarized beams exiting the interferometer and generating a second corresponding interference signal. represents a zero-centered differential detection scheme that ? obtained when the two beams have perfectly orthogonal polarizations. Any polarization imbalance makes a non-zero signal.
Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione, il ciclo di retroazione ? costituito da un circuito elettronico che prende il segnale differenza, lo compara con un valore costante desiderato e produce un segnale di errore da inviare all?attuatore According to one embodiment of the invention, the feedback loop is consisting of an electronic circuit that takes the difference signal, compares it with a desired constant value and produces an error signal to send to the actuator
Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione, la fasedi ?definire un valore del punto di lavoro del segnale differenza? prevede di settare il valore del punto di lavoro a zero. According to one embodiment of the invention, the step of "defining a value of the operating point of the difference signal?" plans to set the working point value to zero.
Nell?invenzione, il sensore e il metodo vengono usati per rivelare la concentrazione di gas all?interno della camera contenente il gas. Un gas, denominato campione di gas, ? collocato nella camera del gas, normalmente contenente differenti specie molecolari, e lo scopo dell?invenzione ? misurare la concentrazione di uno o pi? molecole target eventualmente presenti in traccia nel campione di gas. In the invention, the sensor and method are used to detect the concentration of gas inside the chamber containing the gas. A gas, called a gas sample, is placed in the gas chamber, normally containing different molecular species, and the purpose of the invention is? measure the concentration of one or more? target molecules possibly present in traces in the gas sample.
Pertanto, con ?misurare la concentrazione del gas? si intende misurare una specifica (target) specie molecolari tra quelle presenti nella campioni di gas. Inoltre alcuni promotori di gas (ad esempio il vapor d?acqua) pu? essere aggiunto, in concentrazione nota, al campione di gas da analizzare al fine di incrementare l?effetto fotoacustico. Therefore, with ?measure gas concentration? it is intended to measure a specific (target) molecular species among those present in the gas samples. Furthermore, some gas promoters (for example water vapor) can be added, in a known concentration, to the gas sample to be analyzed in order to increase the photoacoustic effect.
La camera del gas definisce in un involucro ermetico. Pu? essere realizzato con qualsiasi materiale idoneo allo stato dell?arte. La camera del gas pu? essere utilizzata in flusso o in condizioni di gas statiche. The gas chamber defines in an airtight enclosure. Can you? be made with any material suitable for the state of the art. The gas chamber can? be used in flowing or static gas conditions.
Inoltre ? prevista una prima sorgente laser, denominata sorgente laser di eccitazione. La prima sorgente laser ? atta ad emettere un primo fascio laser. Preferibilmente, la prima sorgente laser emette un primo fascio laser. Preferibilmente, il primo fascio laser ? nella gamma degli infrarossi (IR). La lunghezza d'onda del fascio IR ? selezionata in modo che risuoni con transizioni molecolari roto-vibrazionali. Il fascio infrarosso ? un fascio elettromagnetico avente una lunghezza d'onda nell'intervallo 700 nm (frequenza 430 THz) - 1 mm (300 GHz). Tuttavia, qualsiasi altra lunghezza d'onda, che sia risonante con transizioni rotazionali, vibrazionali, elettroniche, da sola o in combinazione e sfruttando le armoniche, pu? essere utilizzata, se l'assorbimento della radiazione ? sufficientemente intenso da generare onde acustiche rilevabili. Furthermore ? a first laser source is foreseen, called an excitation laser source. The first laser source? suitable for emitting a first laser beam. Preferably, the first laser source emits a first laser beam. Preferably, the first laser beam ? in the infrared (IR) range. The wavelength of the IR beam? selected to resonate with roto-vibrational molecular transitions. The infrared beam? an electromagnetic beam having a wavelength in the range 700 nm (frequency 430 THz) - 1 mm (300 GHz). However, any other wavelength, whether resonant with rotational, vibrational, electronic transitions, alone or in combination and taking advantage of harmonics, can be used, if the absorption of radiation ? intense enough to generate detectable acoustic waves.
La prima sorgente laser pu? trovarsi all'interno della camera a gas, oppure pu? essere esterna alla stessa. Se la prima sorgente laser si trova all'esterno della camera a gas, preferibilmente nella camera del gas ? presente una finestra, che ? sostanzialmente trasparente al primo raggio laser, in modo che questo fascio laser possa passare attraverso la finestra e raggiungere la parte interna della camera . The first laser source can? be inside the gas chamber, or can it? be external to it. If the first laser source is outside the gas chamber, preferably in the gas chamber? There is a window, which is it? substantially transparent to the first laser beam, so that this laser beam can pass through the window and reach the inside of the chamber.
La lunghezza d'onda del primo fascio laser ? selezionata in modo tale da poter interagire con le molecole bersaglio (target) presenti nel gas del campione di gas. In particolare, la lunghezza d'onda ? selezionata in modo da eccitare una transizione molecolare nelle molecole del gas da analizzare all'interno della camera del gas. Il primo fascio laser viene quindi selezionato in modo che sia risonante con una transizione molecolare selezionata del gas, la cui concentrazione deve essere misurata. Inoltre, il primo fascio laser ? un fascio laser modulato. Il primo laser ? modulato (in frequenza o ampiezza) ad una frequenza f, in modo tale da eccitare la transizione, e il successivo rilassamento molecolare produce un'onda acustica. The wavelength of the first laser beam ? selected in such a way that it can interact with the target molecules present in the gas of the gas sample. In particular, the wavelength ? selected to excite a molecular transition in the molecules of the gas to be analyzed within the gas chamber. The first laser beam is then selected to be resonant with a selected molecular transition of the gas, the concentration of which is to be measured. Furthermore, the first laser beam? a modulated laser beam. The first laser? modulated (in frequency or amplitude) at a frequency f, so as to excite the transition, and subsequent molecular relaxation produces an acoustic wave.
Il fascio laser nell?infrarosso, assorbito dal gas da analizzare, genera onde di calore, che provocano fluttuazioni di pressione all'interno della camera di gas, formando sostanzialmente onde di pressione nella camera. Questo processo ? un fenomeno molto noto e quindi non ? necessario dettagliarlo ulteriormente nel prosieguo. The infrared laser beam, absorbed by the gas to be analyzed, generates heat waves, which cause pressure fluctuations inside the gas chamber, essentially forming pressure waves in the chamber. This process ? a very well-known phenomenon and therefore not ? need to be further detailed below.
Preferibilmente, la pressione all'interno della camera ? compresa tra 1 mbar e la pressione atmosferica, pi? preferibilmente superiore a 10 mbar. Preferably, the pressure inside the chamber is ? between 1 mbar and atmospheric pressure, more? preferably higher than 10 mbar.
Inoltre, nella camera del gas viene collocato un trasduttore. Il trasduttore pu? essere collegato a un substrato. Il substrato pu? essere un wafer di silicio. Il substrato pu? essere interno o esterno alla camera del gas. Il trasduttore si estende nella camera a gas, cio? ? soggetto all'onda di pressione che si sviluppa a causa del fascio laser di eccitazione. Il substrato viene quindi collegato, ad esempio tramite un supporto, alla camera del gas. Additionally, a transducer is placed in the gas chamber. The transducer can be connected to a substrate. The substrate can be a silicon wafer. The substrate can be inside or outside the gas chamber. The transducer extends into the gas chamber, i.e. ? subject to the pressure wave that develops due to the excitation laser beam. The substrate is then connected, for example via a holder, to the gas chamber.
Secondo l'invenzione, il trasduttore comprende un componente principale atto ad essere messo in oscillazione da un'onda di pressione. Il componente principale comprende un elemento riflettente con almeno una porzione riflettente che forma uno specchio dell'interferometro. According to the invention, the transducer comprises a main component capable of being set into oscillation by a pressure wave. The main component comprises a reflective element with at least one reflective portion that forms a mirror of the interferometer.
Preferibilmente, l'elemento riflettente definisce una superficie triangolare, una superficie rettangolare o una superficie quadrata. Preferably, the reflective element defines a triangular surface, a rectangular surface or a square surface.
Preferibilmente, l'elemento riflettente definisce una superficie poligonale regolare o una superficie poligonale irregolare. Preferably, the reflective element defines a regular polygonal surface or an irregular polygonal surface.
Preferibilmente, l'elemento riflettente definisce una superficie circolare o una superficie ovale. Preferably, the reflective element defines a circular surface or an oval surface.
Preferibilmente, l'elemento riflettente ? sottile rispetto al substrato, cio? l'elemento riflettente ha uno spessore massimo di decine di micron mentre il substrato ha uno spessore massimo di centinaia di micron. Preferably, the reflective element? thin compared to the substrate, that is? the reflective element has a maximum thickness of tens of microns while the substrate has a maximum thickness of hundreds of microns.
Secondo una forma di realizzazione dell'invenzione, l'elemento riflettente ? direttamente connesso (cio? senza altri elementi) alla camera, in particolare al substrato. In questo caso, il componente principale pu? essere considerato un elemento autoportante. According to one embodiment of the invention, the reflective element is directly connected (i.e. without other elements) to the chamber, in particular to the substrate. In this case, the main component can? be considered a self-supporting element.
Preferibilmente, il componente principale, in particolare l'elemento riflettente, ? una membrana o una struttura equivalente. Preferably, the main component, in particular the reflective element, is? a membrane or equivalent structure.
Secondo un'altra forma di realizzazione dell'invenzione, il componente principale comprende una prima struttura di sospensione tra l'elemento riflettente e la camera, in particolare il substrato. La prima struttura di sospensione ? costituita da uno o pi? elementi allungati aventi due estremit? longitudinali contrapposte collegate rispettivamente all'elemento riflettente e alla camera (in particolare al substrato). Pertanto, l'elemento riflettente ? collegato alla camera (in particolare al substrato) tramite la prima struttura di sospensione. La prima struttura di sospensione sostiene l'elemento riflettente e permette al componente principale di oscillare. Deve essere notato che almeno uno tra numero, dimensione e forma degli elementi allungati della prima struttura di sospensione determina lo spettro di risonanza meccanica del componente principale. Ad esempio, l'elemento allungato della prima struttura di sospensione pu? avere la forma di uno tra trave, arco, L, S, Z e spirale o una loro combinazione. According to another embodiment of the invention, the main component comprises a first suspension structure between the reflective element and the chamber, in particular the substrate. The first suspension structure? consisting of one or more? elongated elements having two ends? opposing longitudinal ones connected respectively to the reflecting element and to the chamber (in particular to the substrate). Therefore, the reflective element is connected to the chamber (in particular to the substrate) via the first suspension structure. The first suspension structure supports the reflective element and allows the main component to oscillate. It should be noted that at least one of the number, size and shape of the elongated elements of the first suspension structure determines the mechanical resonance spectrum of the main component. For example, the elongated element of the first suspension structure can? have the shape of one of beam, arch, L, S, Z and spiral or a combination thereof.
Preferibilmente la prima struttura di sospensione ? disposta in modo da non avere funzione ottica per il sensore fotoacustico. Preferably the first suspension structure ? arranged so as not to have an optical function for the photoacoustic sensor.
In aggiunta alla prima struttura di sospensione, il trasduttore pu? comprendere una struttura di smorzamento e isolamento tra la prima struttura di sospensione e la camera, in particolare il substrato. In questo caso, un'estremit? longitudinale di ciascun elemento allungato della prima struttura di sospensione ? collegata al componente principale e l'altra di ciascun elemento allungato ? collegata alla struttura di smorzamento e isolamento. Pertanto, il componente principale ? collegato alla camera (in particolare al substrato) tramite la struttura di smorzamento e isolamento. Va notato che uno scopo della struttura di smorzamento e isolamento ? quello di filtrare il rumore ambientale durante l'uso del sensore fotoacustico. In addition to the first suspension structure, the transducer can? comprising a damping and isolation structure between the first suspension structure and the chamber, in particular the substrate. In this case, one end? longitudinal of each elongated element of the first suspension structure ? connected to the main component and the other of each elongated element ? connected to the damping and isolation structure. Therefore, the main component ? connected to the chamber (especially the substrate) via the damping and isolation structure. It should be noted that one purpose of the damping and isolation structure is ? is to filter environmental noise when using the photoacoustic sensor.
Preferibilmente, la struttura di smorzamento e isolamento circonda almeno parzialmente il componente principale. La struttura di smorzamento e isolamento pu? circondare il componente principale in modo simmetrico o asimmetrico. Preferably, the damping and isolation structure at least partially surrounds the main component. The damping and isolation structure can? surround the main component symmetrically or asymmetrically.
Preferibilmente, la massa della struttura di smorzamento e isolamento ? dieci volte maggiore della massa del componente principale. Preferably, the mass of the damping and isolation structure is ? ten times greater than the mass of the main component.
Preferibilmente, la massa e/o le dimensioni e/o la forma della struttura di smorzamento e isolamento consentono di filtrare componenti di frequenza prescelte. Inoltre, i modi meccanici della struttura di smorzamento e isolamento non si sovrappongono ai modi del componente principale n? alla frequenza di lavoro del sensore fotoacustico (se diverso). Preferably, the mass and/or dimensions and/or shape of the damping and isolation structure allow selected frequency components to be filtered. Furthermore, the mechanical modes of the damping and isolation structure do not overlap with the modes of the principal component n? to the working frequency of the photoacoustic sensor (if different).
Preferibilmente, la struttura di smorzamento e isolamento ? disposta in modo da non avere alcuna funzione ottica per il sensore fotoacustico. Preferably, the damping and isolation structure ? arranged so as not to have any optical function for the photoacoustic sensor.
Oltre alla struttura di smorzamento e isolamento, il trasduttore pu? comprendere una seconda struttura di sospensione tra la struttura di smorzamento e isolamento e la camera, in particolare il substrato. La seconda struttura di sospensione ? costituita da uno o pi? elementi allungati aventi due estremit? longitudinali contrapposte collegate rispettivamente alla struttura di smorzamento e isolamento e alla camera (in particolare al substrato). Pertanto, l'elemento principale ? collegato alla struttura di smorzamento e isolamento, essendo quest'ultima collegata alla camera (in particolare al substrato) tramite la seconda struttura di sospensione. La seconda struttura di sospensione sostiene la struttura di smorzamento e isolamento. In addition to the damping and isolation structure, the transducer can? comprising a second suspension structure between the damping and isolation structure and the chamber, in particular the substrate. The second suspension structure? consisting of one or more? elongated elements having two ends? opposing longitudinal ones connected respectively to the damping and insulation structure and to the chamber (in particular to the substrate). Therefore, the main element ? connected to the damping and isolation structure, the latter being connected to the chamber (in particular to the substrate) via the second suspension structure. The second suspension structure supports the damping and isolation structure.
Preferibilmente, la seconda struttura di sospensione ? progettata in modo tale da ridurre al minimo la trasmissione di frequenze meccaniche interferenti con il modo meccanico del componente principale a cui si lavora. Ad esempio, l'elemento allungato della seconda struttura di sospensione pu? avere la forma di uno tra trave, arco, L, S, Z e spirale o una loro combinazione. Preferably, the second suspension structure ? designed in such a way as to minimize the transmission of mechanical frequencies interfering with the mechanical mode of the main component being worked on. For example, the elongated element of the second suspension structure can? have the shape of one of beam, arch, L, S, Z and spiral or a combination thereof.
Preferibilmente, la seconda struttura di sospensione ? disposta in modo tale da non avere funzione ottica per il sensore fotoacustico. Preferably, the second suspension structure ? arranged in such a way as to have no optical function for the photoacoustic sensor.
Secondo un'altra versione dell'invenzione, il componente principale ? privo della prima struttura di sospensione e l'elemento riflettente ? direttamente connesso alla struttura di smorzamento e isolamento che ? collegata alla camera, in particolare al substrato. In questo caso, il trasduttore pu? comprendere anche la seconda struttura di sospensione in modo che la struttura di smorzamento e isolamento sia collegata alla camera (in particolare al substrato) tramite la seconda struttura di sospensione. According to another version of the invention, the main component is? without the first suspension structure and the reflective element? directly connected to the damping and isolation structure which is connected to the chamber, in particular to the substrate. In this case, the transducer can? also include the second suspension structure such that the damping and isolation structure is connected to the chamber (in particular the substrate) via the second suspension structure.
Il trasduttore ? preferibilmente un trasduttore di tipo sistema microelettromeccanico (MEMS). I MEMS sono anche indicati come micromacchine o tecnologia dei microsistemi (MST). I trasduttori MEMS hanno dimensioni preferibilmente comprese tra 10 ?m e un paio di centimetri. Per ?dimensione? si intende la dimensione massima del MEMS. The transducer? preferably a microelectromechanical system (MEMS) type transducer. MEMS are also referred to as micromachines or microsystems technology (MST). MEMS transducers preferably have dimensions between 10 ?m and a couple of centimeters. By ?size? means the maximum size of the MEMS.
Come accennato, il trasduttore pu? essere fissato a un substrato. L'attacco pu? essere un attacco a punto singolo, ovvero esiste un'unica connessione tra il substrato e il trasduttore MEMS, o attacchi a pi? punti, dove sono presenti pi? connessioni. Il numero di connessioni pu? essere scelto in base alla geometria del trasduttore. As mentioned, the transducer can? be fixed to a substrate. Can the attack? be a single point attachment, i.e. there is a single connection between the substrate and the MEMS transducer, or multi-point attachments? points, where are there more? connections. The number of connections can? be chosen based on the geometry of the transducer.
Preferibilmente, il trasduttore ha una geometria tale che due delle sue dimensioni siano molto pi? grandi della sua terza dimensione. Cio?, generalmente lo spessore del trasduttore ? molto pi? piccolo della sua lunghezza o larghezza. Preferably, the transducer has a geometry such that two of its dimensions are much larger larger than its third dimension. That is, generally the thickness of the transducer is much more? smaller than its length or width.
Preferibilmente, possono essere considerati tre tipi principali di trasduttore. Preferably, three main types of transducer can be considered.
Il primo tipo di trasduttore si riferisce a un trasduttore il cui elemento riflettente ? una membrana. La membrana esegue un movimento simile al movimento di un tamburo. Ci? si ottiene grazie a una connessione tra la membrana e il substrato che ? simmetrica rispetto ad un asse. In altre parole, la membrana ha un asse di simmetria e le connessioni tra la membrana e il supporto sono simmetriche rispetto a tale asse. Ci? significa che una membrana comprende sempre almeno due connessioni tra se stessa e il substrato. La membrana pu? definire una superficie triangolare, una superficie rettangolare o quadrata, pu? definire una superficie poligonale regolare o irregolare (preferibilmente, il poligono regolare o irregolare ha un numero di lati compreso tra 3 e 20), pu? definire una superficie circolare o una superficie ovale. Lo spessore della membrana ? preferibilmente compreso tra 30 nm e 50 micrometri. Preferibilmente, lo spessore dipende dal materiale in cui ? formata la membrana. La dimensione laterale massima ? preferibilmente compresa tra 100 micrometri e 2 cm. The first type of transducer refers to a transducer whose reflecting element is ? a membrane. The membrane performs a movement similar to the movement of a drum. There? is achieved thanks to a connection between the membrane and the substrate which is symmetric about an axis. In other words, the membrane has an axis of symmetry and the connections between the membrane and the support are symmetrical about that axis. There? means that a membrane always includes at least two connections between itself and the substrate. The membrane can define a triangular surface, a rectangular or square surface, can? define a regular or irregular polygonal surface (preferably, the regular or irregular polygon has a number of sides between 3 and 20), can? define a circular surface or an oval surface. The thickness of the membrane? preferably between 30 nm and 50 micrometers. Preferably, the thickness depends on the material in which it is? membrane formed. The maximum lateral dimension? preferably between 100 micrometers and 2 cm.
Per dimensione trasversale massima si intende la dimensione massima del lato di un rettangolo circoscritto alla membrana. By maximum transversal dimension we mean the maximum dimension of the side of a rectangle circumscribed by the membrane.
Le geometrie e i materiali preferiti delle membrane sono elencati nella TABELLA 1. Preferred membrane geometries and materials are listed in TABLE 1.
TABELLA 1 TABLE 1
Il secondo tipo di trasduttore si riferisce ad un trasduttore il cui componente principale comprende una prima struttura di sospensione tra l'elemento riflettente e il substrato. In questo caso, l'elemento riflettente pu? essere descritto come un elemento centrale (poligoni triangolari, rettangolari, regolari o irregolari - numeri di lato compresi tra 3 e 20 - cerchi). A differenza delle membrane, per?, l'elemento riflettente ? connesso al supporto in modo asimmetrico. Il trasduttore pu? oscillare quindi ?ancorato su un lato?. Anche in questo caso possono essere presenti connessioni multiple tra l'elemento riflettente e la prima struttura di sospensione. Il numero di connessioni ? preferibilmente compreso tra 1 e 20. In particolare, le connessioni tra l'elemento riflettente e la prima struttura di sospensione corrispondono alle connessioni tra l'elemento riflettente e gli elementi allungati della prima struttura di sospensione. The second type of transducer refers to a transducer whose main component includes a first suspension structure between the reflective element and the substrate. In this case, the reflective element can? be described as a central element (triangular, rectangular, regular or irregular polygons - side numbers between 3 and 20 - circles). Unlike membranes, however, the reflective element is connected to the support asymmetrically. The transducer can swing then ?anchored on one side?. Also in this case there may be multiple connections between the reflective element and the first suspension structure. The number of connections? preferably between 1 and 20. In particular, the connections between the reflective element and the first suspension structure correspond to the connections between the reflective element and the elongated elements of the first suspension structure.
La forma degli elementi allungati della prima struttura di sospensione pu? essere di 4 tipi: The shape of the elongated elements of the first suspension structure can? be of 4 types:
-travi rettangolari dritte, in questo caso si dice quindi che esiste un unico elemento che forma l'elemento allungato; -straight rectangular beams, in this case it is therefore said that there is a single element that forms the elongated element;
-L-forma (composizione di due elementi perpendicolari); -L-shape (composition of two perpendicular elements);
- Z ? forma (composizione di tre elementi perpendicolari a due a due); -Z? shape (composition of three perpendicular elements two by two);
- S ? forma (composizione di almeno due elementi allungati a forma di z). - Yes? shape (composition of at least two elongated z-shaped elements).
Le geometrie e i materiali preferiti degli elementi allungati sono elencati nella TABELLA 2. The preferred geometries and materials of the elongated elements are listed in TABLE 2.
TABELLA 2 TABLE 2
Il terzo tipo di trasduttore si riferisce ad un trasduttore il cui componente principale comprende una prima struttura di sospensione tra l'elemento riflettente ed il substrato. Diversamente dal secondo tipo di trasduttore, la prima struttura di sospensione ha una forma a spirale. La spirale ? formata da una pluralit? di elementi collegati tra loro in serie (cio? uno dopo l'altro). L'elemento riflettente ? collegato alla spirale e costituisce un elemento centrale del trasduttore. L'elemento centrale pu? avere qualsiasi forma, la stessa forma dettagliata quando si tratta della membrana. The third type of transducer refers to a transducer whose main component comprises a first suspension structure between the reflecting element and the substrate. Unlike the second type of transducer, the first suspension structure has a spiral shape. The spiral? formed by a plurality? of elements connected together in series (i.e. one after the other). The reflective element? connected to the spiral and constitutes a central element of the transducer. The central element can? have any shape, the same detailed shape when it comes to the membrane.
In questo caso, la prima struttura di sospensione ? una composizione di elementi a barra con un angolo relativo compreso tra 15 e 179 gradi. La prima struttura di sospensione crea degli ?anelli? attorno all'elemento centrale. In this case, the first suspension structure ? a composition of bar elements with a relative angle between 15 and 179 degrees. The first suspension structure creates ?rings? around the central element.
Le geometrie e i materiali preferiti della prima struttura di sospensione sono elencati nella TABELLA 3. The preferred geometries and materials of the first suspension structure are listed in TABLE 3.
TABELLA 3 TABLE 3
L'onda di pressione causata dall'eccitazione della transizione molecolare e che si propaga nella camera forza il trasduttore ad oscillare. Il trasduttore viene cos? messo in moto dall'onda di pressione che si propaga nella camera. I movimenti sono oscillatori. The pressure wave caused by the excitation of the molecular transition and which propagates in the chamber forces the transducer to oscillate. Does the transducer come like this? set in motion by the pressure wave propagating in the chamber. The movements are oscillatory.
La frequenza delle oscillazioni del trasduttore dipende dalla frequenza di modulazione del primo laser, il laser che eccita la transizione molecolare del gas. L'ampiezza delle oscillazioni dipende da molti fattori, tra cui la potenza del laser eccitante, la profondit? di modulazione del primo laser, la pressione del gas, la concentrazione della molecola bersaglio (target), la sezione d'urto della transizione molecolare selezionata, la presenza di gas promotori o molecole interferenti. Poich? tutti questi parametri sono noti, ad eccezione della concentrazione delle molecole bersaglio nel gas, si misura l'ampiezza delle oscillazioni del trasduttore e da essa si ricava la concentrazione. The frequency of the transducer oscillations depends on the modulation frequency of the first laser, the laser that excites the molecular transition of the gas. The amplitude of the oscillations depends on many factors, including the power of the exciting laser, the depth of modulation of the first laser, the gas pressure, the concentration of the target molecule, the cross section of the selected molecular transition, the presence of promoting gases or interfering molecules. Since? all these parameters are known, with the exception of the concentration of the target molecules in the gas, the amplitude of the oscillations of the transducer is measured and the concentration is obtained from it.
L'ampiezza dell'onda fotoacustica ? data da The amplitude of the photoacoustic wave? given by
dove K ? una costante che dipende dalla geometria del trasduttore, dal materiale e dalle dimensioni, dalla geometria della camera e dalla frequenza di modulazione, P ? la potenza ottica della sorgente laser di eccitazione, ? ? la sezione d?urto per l?assorbimento della transizione misurata e n ? il valore della densit? di molecole assorbenti (proporzionale alla loro concentrazione). La costante K ? solitamente definita dalla calibrazione, e dipende dalla forma della cella e dalla frequenza di modulazione f del (primo) laser di eccitazione: where K? a constant that depends on the geometry of the transducer, the material and dimensions, the geometry of the chamber and the modulation frequency, P ? the optical power of the excitation laser source, ? ? the cross section for the absorption of the measured transition and n ? the value of the density? of absorbing molecules (proportional to their concentration). The constant K ? usually defined by the calibration, and depends on the shape of the cell and the modulation frequency f of the (first) excitation laser:
L'onda acustica forza l?oscillazione del trasduttore, alla stessa frequenza f e con un'ampiezza proporzionale a S. L'onda acustica pu? eventualmente eccitare anche risonanze di ordine superiore. L'ampiezza dell'onda acustica trasporta l?informazione sulla concentrazione delle molecole bersaglio (target). Questa informazione viene trasferita al trasduttore, in particolare alla sua ampiezza di oscillazione, e pu? essere rilevata interferometricamente. The acoustic wave forces the oscillation of the transducer, at the same frequency f and with an amplitude proportional to S. The acoustic wave can? possibly also excite higher order resonances. The amplitude of the acoustic wave carries information on the concentration of the target molecules. This information is transferred to the transducer, in particular its oscillation amplitude, and can be detected interferometrically.
Per misurare tale ampiezza, il trasduttore include, almeno in parte, una porzione riflettente. La porzione riflettente ? riflettente per la radiazione elettromagnetica con le caratteristiche descritte di seguito. Il trasduttore pu? essere, ad esempio, almeno in parte, rivestito da un materiale riflettente o essere formato, almeno in parte, da un materiale riflettente. To measure this amplitude, the transducer includes, at least in part, a reflective portion. The reflective portion? reflective for electromagnetic radiation with the characteristics described below. The transducer can be, for example, at least partly, covered by a reflective material or be formed, at least partly, by a reflective material.
I materiali del rivestimento (coating) dipendono dalla lunghezza d'onda del laser He-Ne (o equivalente), dal materiale del trasduttore e dal campione di gas. Possibili materiali sono ad esempio uno o pi? tra oro, alluminio, argento, multistrati dielettrici, polimeri e ossidi metallici. Coating materials depend on the wavelength of the He-Ne laser (or equivalent), the transducer material and the gas sample. Possible materials are for example one or more? including gold, aluminium, silver, dielectric multilayers, polymers and metal oxides.
Per misurare le oscillazioni del trasduttore ? in dotazione un interferometro. L'interferometro fa parte del sensore. Grazie alla superficie riflettente, il trasduttore forma uno degli specchi dell'interferometro. To measure the oscillations of the transducer? an interferometer is supplied. The interferometer is part of the sensor. Thanks to the reflective surface, the transducer forms one of the mirrors of the interferometer.
L'interferometria fa uso del principio di sovrapposizione per combinare le onde in un modo tale che il risultato della loro combinazione abbia qualche propriet? significativa che fornisce informazioni sullo stato originale delle onde e sul percorso/lunghezza percorsa. Questo funziona perch? quando due onde con la stessa frequenza si combinano, il modello di intensit? risultante ? determinato dalla differenza di fase tra le due onde- le onde che sono in fase interferiranno costruttivamente mentre le onde che sono fuori fase interferiranno distruttivamente. Le onde che non sono completamente in fase n? completamente sfasate avranno un pattern di intensit? intermedia, che pu? essere utilizzato per determinare la relativa differenza di fase. Interferometry makes use of the superposition principle to combine waves in such a way that the result of their combination has some property? significant that provides information on the original state of the waves and the path/length travelled. This works why? When two waves with the same frequency combine, the intensity pattern? resulting? determined by the phase difference between the two waves- waves that are in phase will interfere constructively while waves that are out of phase will interfere destructively. Waves that are not completely in phase n? completely out of phase will they have a pattern of intensity? intermediate, what can? be used to determine the relative phase difference.
Al fine di ottenere dati interferometrici ? prevista una seconda sorgente laser, detta anche laser di ?lettura?. Questa seconda sorgente laser ? atta ad emettere un fascio di radiazione elettromagnetica coerente. Di solito il laser di lettura emette nella regione del visibile, il che rende facile l'allineamento dell'interferometro e dove sono disponibili componenti ottici ed elettronici di buona qualit? ed economici. Una delle scelte comuni per la seconda sorgente laser ? un laser He-Ne, che emette a una lunghezza d'onda di 633 nm, grazie alla sua buona stabilit?, buon profilo modale, robustezza e buon rapporto qualit?/prezzo. Quando le dimensioni compatte sono importanti, possono essere preferibili i laser a diodi visibili In order to obtain interferometric data? a second laser source is foreseen, also called "reading" laser. This second laser source? suitable for emitting a beam of coherent electromagnetic radiation. Usually the readout laser emits in the visible region, which makes alignment of the interferometer easy and where good quality optical and electronic components are available. and economical. One of the common choices for the second laser source? a He-Ne laser, which emits at a wavelength of 633 nm, thanks to its good stability, good modal profile, robustness and good quality/price ratio. When compact size is important, visible diode lasers may be preferable
La seconda sorgente laser pu? trovarsi all'esterno della camera. Se la seconda sorgente laser si trova all'esterno della camera, la camera comprende una finestra trasparente alla radiazione elettromagnetica emessa dalla seconda sorgente laser in modo che la radiazione elettromagnetica emessa dalla seconda sorgente laser possa entrare nella camera. Preferibilmente, il trasduttore definisce una prima ed una seconda superficie, una contrapposta all'altra. Preferibilmente, il secondo fascio laser incide perpendicolarmente sulla prima o sulla seconda superficie del trasduttore. The second laser source can? be outside the room. If the second laser source is located outside the chamber, the chamber includes a window transparent to the electromagnetic radiation emitted by the second laser source so that the electromagnetic radiation emitted by the second laser source can enter the chamber. Preferably, the transducer defines a first and a second surface, one facing the other. Preferably, the second laser beam impinges perpendicularly on the first or second surface of the transducer.
Preferibilmente, all'interno della camera, il fascio (radiazione elettromagnetica) emesso dal laser di eccitazione ed il fascio emesso dal secondo laser sono sostanzialmente perpendicolari tra loro. Preferably, inside the chamber, the beam (electromagnetic radiation) emitted by the excitation laser and the beam emitted by the second laser are substantially perpendicular to each other.
La radiazione elettromagnetica emessa dalla seconda sorgente laser viene suddivisa in due fasci divisi. Questa separazione pu? essere eseguita ad esempio da un primo divisore di fascio. Ciascun fascio diviso ? diretto in uno dei due diversi bracci dell'interferometro, ciascun braccio definendo un cammino ottico per la radiazione elettromagnetica. Il primo braccio dell'interferometro comprende il trasduttore, dove la radiazione elettromagnetica viene retroriflessa all'interno del primo braccio. Il secondo braccio termina con un elemento che cambia il cammino ottico, in cui il fascio diviso viene retroriflesso nel secondo braccio. I fasci di radiazione elettromagnetica provenienti dai due bracci vengono ricombinati in un modo standard noto allo stato dell?arte come interferometro. The electromagnetic radiation emitted by the second laser source is split into two split beams. Can this separation? be performed for example by a first beam splitter. Each beam divided ? directed into one of two different arms of the interferometer, each arm defining an optical path for the electromagnetic radiation. The first arm of the interferometer includes the transducer, where the electromagnetic radiation is back-reflected within the first arm. The second arm ends with an element that changes the optical path, in which the split beam is reflected back into the second arm. The beams of electromagnetic radiation coming from the two arms are recombined in a standard way known in the state of the art as an interferometer.
L?elemento che cambia il cammino ottico, meglio dettagliato nel prosieguo, ? ad esempio una superficie riflettente mobile oppure un dispositivo in grado di controllare il cammino ottico dell'interferometro, pu? essere sostituito con attuatori, ad es. un cristallo liquido o un elemento elettro-ottico o qualsiasi dispositivo in grado di modificare la fase della seconda radiazione laser. In questo modo ? possibile modificare il cammino ottico definito dal secondo braccio dell'interferometro. Tale variazione ? operata per mezzo di un attuatore. L'attuatore ? atto ad agire sull'elemento che cambia il cammino ottico e forza quest'ultimo a modificare il cammino ottico definito dal secondo braccio. The element that changes the optical path, better detailed below, is? for example a mobile reflecting surface or a device capable of controlling the optical path of the interferometer, can? be replaced with actuators, e.g. a liquid crystal or an electro-optical element or any device capable of modifying the phase of the second laser radiation. In this way ? It is possible to modify the optical path defined by the second arm of the interferometer. This change? operated by means of an actuator. The actuator? capable of acting on the element that changes the optical path and forces the latter to modify the optical path defined by the second arm.
L'interferometro ? progettato per ottenere un rivelazione bilanciata, ovvero l'intensit? del raggio in uscita dal primo e dal secondo braccio ? la stessa. The interferometer? designed to obtain a balanced revelation, i.e. the intensity? of the ray coming out of the first and second arms? the same.
L'interferometro utilizzato ? preferibilmente un interferometro Michelson, montato in una disposizione bilanciata che assicura il miglior rapporto segnale/rumore possibile per una data potenza laser. In alternativa, pu? essere utilizzato anche un interferometro di tipo Mach-Zender. The interferometer used? preferably a Michelson interferometer, mounted in a balanced arrangement that ensures the best possible signal-to-noise ratio for a given laser power. Alternatively, can? a Mach-Zender interferometer can also be used.
La configurazione bilanciata proposta ? realizzata tramite il controllo della polarizzazione del secondo fascio laser. La seconda radiazione laser ha preferibilmente una polarizzazione lineare. In alternativa, al fine di ottenere una polarizzazione lineare, a valle del secondo laser sono posizionati opportuni ritardatori di fase e polarizzatori per ottenere una radiazione polarizzata linearmente. Al posto della radiazione polarizzata linearmente, ? possibile utilizzare la polarizzazione perfettamente circolare per il secondo fascio laser. Un primo divisore di fascio polarizzatore divide il secondo fascio laser in due parti, con polarizzazioni ortogonali, ciascuna parte propagandosi lungo uno dei due bracci dell'interferometro. Lo stesso primo divisore di fascio polarizzatore viene utilizzato per ricombinare la radiazione proveniente dai due bracci dell'interferometro. Un altro (secondo) divisore di fascio polarizzatore divide la radiazione ricombinata in due parti, sempre con polarizzazioni ortogonali, ciascuna parte che incide su uno dei due rivelatori. The proposed balanced configuration? achieved by controlling the polarization of the second laser beam. The second laser radiation preferably has a linear polarization. Alternatively, in order to obtain a linear polarization, appropriate phase retarders and polarizers are positioned downstream of the second laser to obtain linearly polarized radiation. Instead of linearly polarized radiation, ? It is possible to use perfectly circular polarization for the second laser beam. A first polarizing beam splitter divides the second laser beam into two parts, with orthogonal polarizations, each part propagating along one of the two arms of the interferometer. The same first polarizing beam splitter is used to recombine the radiation coming from the two arms of the interferometer. Another (second) polarizing beam splitter divides the recombined radiation into two parts, again with orthogonal polarizations, each part impinging on one of the two detectors.
Come ? noto, i due fasci di radiazione elettromagnetica retroriflessi interferiscono e formano una figura di interferenza. Il pattern di interferenza, o frange di interferenza, fornisce informazioni sulla differenza di lunghezza del cammino ottico tra i due bracci dell'interferometro. As ? known, the two retroreflected electromagnetic radiation beams interfere and form an interference pattern. The interference pattern, or interference fringes, provides information on the difference in optical path length between the two arms of the interferometer.
A causa delle oscillazioni del trasduttore, il cammino ottico definito dal primo braccio dell'interferometro cambia di lunghezza. Pertanto, un'analisi delle frange di interferenza pu? essere utilizzata per determinare l'ampiezza delle oscillazioni del trasduttore e quindi, a sua volta, ? possibile ottenere la concentrazione del gas da analizzare all'interno della camera. Due to the oscillations of the transducer, the optical path defined by the first arm of the interferometer changes in length. Therefore, an analysis of the interference fringes can be used to determine the amplitude of the oscillations of the transducer and therefore, in turn,? It is possible to obtain the concentration of the gas to be analyzed inside the chamber.
Le frange dovute all'interferenza tra la radiazione elettromagnetica che si propaga nel primo braccio e nel secondo braccio dell'interferometro possono essere rilevate da un opportuno rivelatore, quale un fotorivelatore noto nel campo. Il rivelatore ha preferibilmente una larghezza di banda sufficientemente elevata per rilevare la frequenza di oscillazione del trasduttore. Inoltre, preferibilmente, il rivelatore esegue la rivelazione, con il rumore di fondo pi? basso possibile. Preferibilmente, il rivelatore ha una larghezza di banda maggiore della frequenza di oscillazione nel punto di lavoro. The fringes due to the interference between the electromagnetic radiation which propagates in the first arm and in the second arm of the interferometer can be detected by a suitable detector, such as a photodetector known in the field. The detector preferably has a sufficiently high bandwidth to detect the oscillation frequency of the transducer. Furthermore, preferably, the detector performs the detection, with the lowest background noise. as low as possible. Preferably, the detector has a bandwidth greater than the oscillation frequency at the operating point.
I fasci retroriflessi che si propagano nell'interferometro (e che interferiscono) possono essere divisi in due all'uscita dell'interferometro. La separazione pu? essere eseguita, ad esempio, dal secondo divisore di fascio. Il secondo divisore di fascio pu? essere un divisore di fascio polarizzatore. Se il secondo divisore di fascio non ? di per s? un divisore di fascio polarizzatore, nell'interferometro possono essere presenti ulteriori polarizzatori, in modo che i due fasci divisi dal secondo divisore di fascio abbiano una polarizzazione mutuamente ortogonale. In entrambi i casi, il divisore di fascio ? detto ?divisore di fascio polarizzatore?, cio? sia nel caso in cui sia esso stesso un divisore di fascio polarizzatore nel caso vengano aggiunti dei polarizzatori. La direzione dell'asse di polarizzazione ? arbitraria, ma i due fasci divisi sono preferibilmente polarizzati ortogonalmente. I due fasci separati incidono quindi sul primo e sul secondo rivelatore, parte del sensore dell'invenzione. The retroreflected beams propagating into the interferometer (and interfering) can be split in two at the exit of the interferometer. Can separation? be performed, for example, by the second beam splitter. The second beam splitter can? be a polarizing beam splitter. If the second beam splitter is not ? in itself? a polarizing beam splitter, further polarizers may be present in the interferometer, so that the two beams divided by the second beam splitter have a mutually orthogonal polarization. In both cases, the beam splitter is called ?polarizing beam splitter?, that is? or if it is itself a polarizing beam splitter if polarizers are added. The direction of the polarization axis? arbitrary, but the two split beams are preferably polarized orthogonally. The two separate beams then impact the first and second detectors, part of the sensor of the invention.
Detti D1 e D2 i rivelatori, entrambi i fasci vengono focalizzati nei due rivelatori D1 e D2. Assumendo onde piane, il campo elettrico dei fasci laser retroriflessi interferenti prima del secondo divisore di fascio pu? essere scritto usando il formalismo di Jones: Called the detectors D1 and D2, both beams are focused into the two detectors D1 and D2. Assuming plane waves, the electric field of the interfering retroreflected laser beams before the second beam splitter can be written using the Jones formalism:
in cui le due componenti del vettore rappresentano le componenti del campo lungo l'asse orizzontale e l?asse verticale. Qui EA ed EB sono le ampiezze dei fasci retroriflessi provenienti dal trasduttore e dal dispositivo atto a variare il cammino ottico (es. A ? il primo braccio e B il secondo braccio dell'interferometro), rispettivamente, con fasi ?A and ?B. Assumendo che i fasci uscenti dal divisore di fascio siano polarizzati rispettivamente orizzontalmente e verticalmente, le componenti di polarizzazione verticale di uno dei fasci che incidono sul primo rivelatore possano essere calcolate moltiplicando la matrice di Jones che rappresenta il divisore di fascio polarizzante [0001]: in which the two components of the vector represent the components of the field along the horizontal axis and the vertical axis. Here EA and EB are the amplitudes of the retroreflected beams coming from the transducer and from the device capable of varying the optical path (e.g. A ? the first arm and B the second arm of the interferometer), respectively, with phases ?A and ?B. Assuming that the beams exiting the beam splitter are polarized respectively horizontally and vertically, the vertical polarization components of one of the beams impinging on the first detector can be calculated by multiplying the Jones matrix representing the polarizing beam splitter [0001]:
Il rivelatore D1 rivela l?intensit? del campo: The D1 detector reveals the intensity? of the field:
Analogamente, la componente orizzontale della polarizzazione all?uscita del divisore di fascio pu? essere calcolata moltiplicando la matrice di Jones che rappresenta il divisore di fascio polarizzatore <[>1000<]>: Similarly, the horizontal component of the polarization at the output of the beam splitter can be calculated by multiplying the Jones matrix representing the polarizing beam splitter <[>1000<]>:
e il rivelatore D2 rivela l'intensit? del campo: and the D2 detector reveals the intensity? of the field:
Di conseguenza, le frange di interferenza tra i fasci retro-riflessi che portano l?informazione sulle oscillazioni del trasduttore possono essere analizzate o studiando il segnale generato dal primo rivelatore, che ? funzione del fascio rivelato secondo l?equazione (2), o il segnale generato dal secondo rivelatore, che ? funzione del fascio rivelato secondo l?equazione (3). Consequently, the interference fringes between the retro-reflected beams that carry information on the oscillations of the transducer can be analyzed either by studying the signal generated by the first detector, which is? function of the detected beam according to equation (2), or the signal generated by the second detector, which is? function of the detected beam according to equation (3).
Se assumiamo che, in condizioni di riposo, cio? quando non c?? nessuno spostamento del trasduttore, i due bracci dell?interferometro sono regolati in modo che valga If we assume that, in rest conditions, that is? when he's not there?? no movement of the transducer, the two arms of the interferometer are adjusted so that it is valid
allora si applica quanto segue. then the following applies.
Assumendo che l?oscillazione del trasduttore sia un segnale armonico?(??) =????(?2?? ??), che oscilla alla frequenza di modulazione del laser f, le due uscite dei rivelatori D1 e D2 danno un segnale di oscillazione proporzionale a con un fondo fisso uguale all?intensit? del campo totale Assuming that the oscillation of the transducer is a harmonic signal?(??) =????(?2?? ??), which oscillates at the modulation frequency of the laser f, the two outputs of the detectors D1 and D2 give a oscillation signal proportional to with a fixed background equal to the intensity? of the total field
Lo spostamento armonico del trasduttore ha un'ampiezza S proporzionale alla concentrazione del gas, secondo l?Eq. (1). Per ricavare il valore dell?ampiezza di oscillazione S, si pu? procedere ad una demodulazione del segnale. Per esempio, pu? essere utilizzato un amplificatore lock-in allo scopo di demodulare il segnale del rivelatore alla frequenza di riferimento f. Questa operazione pu? essere eseguita sul segnale di D1 (o di D2). Cos?, analizzando il segnale rivelato dal primo o dal secondo rivelatore, l?oscillazione del trasduttore pu? essere misurata. The harmonic displacement of the transducer has an amplitude S proportional to the gas concentration, according to Eq. (1). To obtain the value of the oscillation amplitude S, you can? proceed with demodulation of the signal. For example, can? a lock-in amplifier can be used in order to demodulate the detector signal to the reference frequency f. Can this operation? be performed on the D1 (or D2) signal. Thus, by analyzing the signal detected by the first or second detector, the oscillation of the transducer can be measured.
Il sensore di cui sopra opera secondo il metodo dell?invenzione. The above sensor operates according to the method of the invention.
Preferibilmente, il laser di eccitazione opera a una determinata corrente e temperatura, cos? che la frequenza della radiazione laser emessa coincida con la transizione molecolare. La modulazione del fascio laser di eccitazione funziona come segue. Una modulazione alla frequenza f ? aggiunta alla corrente di alimentazione del primo laser e, in aggiunta, una rampa triangolare lenta (con una frequenza molto minore di f) ? aggiunta alla corrente, cos? da eseguire una spazzata della frequenza ottica del laser di eccitazione da un lato all?altro della transizione molecolare. Preferably, the excitation laser operates at a certain current and temperature, so? that the frequency of the emitted laser radiation coincides with the molecular transition. The modulation of the excitation laser beam works as follows. A modulation at the frequency f ? added to the supply current of the first laser and, in addition, a slow triangular ramp (with a frequency much lower than f) ? added to the current, so? to perform a sweep of the optical frequency of the excitation laser from one side of the molecular transition to the other.
Appena la frequenza ottica del laser di eccitazione entra in risonanza con la transizione molecolare del gas di interesse, nelle molecole del gas viene indotta un?eccitazione modulata alla frequenza f, seguita da un rilassamento non-radiativo che produce nel campione gassoso l?onda di pressione modulata. As soon as the optical frequency of the excitation laser enters into resonance with the molecular transition of the gas of interest, an excitation modulated at the frequency f is induced in the gas molecules, followed by a non-radiative relaxation which produces the modulated pressure.
Quest?onda colpisce il trasduttore e induce uno spostamento modulato alla frequenza f, con un?ampiezza proporzionale all?ampiezza dell?onda di pressione. This wave hits the transducer and induces a modulated displacement at the frequency f, with an amplitude proportional to the amplitude of the pressure wave.
Preferibilmente, la frequenza di modulazione ? selezionata cos? che f corrisponda alla frequenza di risonanza del trasduttore o ad una risonanza di ordine pi? alto. Preferably, the modulation frequency is ? selected like this? that f corresponds to the resonant frequency of the transducer or to a resonance of order pi? high.
In ogni caso, la frequenza di modulazione potrebbe essere fuori dalla risonanza meccanica. In any case, the modulation frequency may be outside the mechanical resonance.
Lo spostamento del trasduttore ? misurato per mezzo di un interferometro di Michelson, descritto sopra. The displacement of the transducer? measured by means of a Michelson interferometer, described above.
Preferibilmente viene fissato uno specifico punto di lavoro, o in altre parole viene fissato un valore per la differenza di fase come pure il livello di potenza che incide sui rivelatori. Ad esempio, possono essere fissate le condizioni di cui all?Eq. (4). In questo modo, qualsiasi spostamento del trasduttore viene misurato con la massima sensibilit? dell?interferometro, che corrisponde al punto di massima pendenza del segnale sinusoidale. Questo vale per i due segnali generati dal primo e dal secondo rivelatore D1 e D2, secondo l?Eq. (5). Preferably a specific operating point is set, or in other words a value is set for the phase difference as well as the power level affecting the detectors. For example, the conditions referred to in Eq. can be set. (4). In this way, any movement of the transducer is measured with maximum sensitivity. of the interferometer, which corresponds to the point of maximum slope of the sinusoidal signal. This applies to the two signals generated by the first and second detectors D1 and D2, according to Eq. (5).
Preferibilmente, il segnale in uscita dal primo rivelatore, D1, o dal secondo rivelatore, D2, viene demodulato da un amplificatore lock-in alla frequenza di modulazione f allo scopo di ricavare l?ampiezza di oscillazione del cantilever. L?amplificatore lock-in filtra i segnali che vengono dal primo o dal secondo rivelatore (e/o il segnale differenza) con un?ampiezza di banda fissata dai parametri del lock-in, e li demodula alla frequenza f, estraendo cos? soltanto l?ampiezza dei segnali modulati alla frequenza f, integrati con una costante di tempo ?. Preferably, the output signal from the first detector, D1, or from the second detector, D2, is demodulated by a lock-in amplifier at the modulation frequency f in order to obtain the oscillation amplitude of the cantilever. The lock-in amplifier filters the signals coming from the first or second detector (and/or the difference signal) with a bandwidth set by the lock-in parameters, and demodulates them at the frequency f, thus extracting the only the amplitude of the signals modulated at frequency f, integrated with a time constant ?.
Qualsiasi vibrazione del trasduttore a frequenze sufficientemente al di fuori della banda di demodulazione vengono filtrate via e non contribuiscono al rumore della misura finale. In questo modo, da un lato i contributi del rumore di fondo che sporcano il segnale sono largamente soppressi, e dall?altro lato si ottiene in uscita dal lock-in un segnale DC misurabile proporzionale all?ampiezza di oscillazione del trasduttore. Any transducer vibrations at frequencies sufficiently outside the demodulation band are filtered out and do not contribute to the final measurement noise. In this way, on the one hand the contributions of the background noise that dirty the signal are largely suppressed, and on the other hand a measurable DC signal proportional to the oscillation amplitude of the transducer is obtained at the lock-in output.
Preferibilmente, prima di realizzare la misura con un gas incognito, viene eseguita una misura con un campione noto di gas, in modo da calibrare la risposta del sensore. Il sensore viene calibrato usando un campione gassoso con una concentrazione certificata delle molecole da analizzare: per una data concentrazione del campione gassoso, l?ampiezza del segnale interferometrico viene misurata e associata alla concentrazione nota. Questa procedura viene ripetuta per diverse concentrazioni del gas, e in questo modo si stabilisce una funzione biunivoca tra il segnale interferometrico misurato e la concentrazione del gas. Questa funzione permette di ricavare qualsiasi concentrazione incognita della stessa molecola, a patto che le condizioni di lavoro del sensore siano le stesse di quelle utilizzate nella fase di calibrazione. Preferably, before carrying out the measurement with an unknown gas, a measurement is performed with a known sample of gas, in order to calibrate the response of the sensor. The sensor is calibrated using a gaseous sample with a certified concentration of the molecules to be analyzed: for a given concentration of the gaseous sample, the amplitude of the interferometric signal is measured and associated with the known concentration. This procedure is repeated for different gas concentrations, and in this way a one-to-one function is established between the measured interferometric signal and the gas concentration. This function allows you to obtain any unknown concentration of the same molecule, provided that the working conditions of the sensor are the same as those used in the calibration phase.
Data questa configurazione, il segnale misurato demodulato dall?amplificatore lock-in ? influenzato da molteplici contributi di rumore che possono ridurre il rapporto segnale-rumore finale delle singole acquisizioni e/o condizionare la ripetibilit? delle misure, diminuendo cos? la sensibilit? finale del sensore. Questi contributi di rumore sono legati soprattutto alle instabilit? dell?interferometro e al rumore dell?ambiente circostante, e possono includere: Given this configuration, the measured signal demodulated by the lock-in amplifier is influenced by multiple noise contributions which can reduce the final signal-to-noise ratio of the individual acquisitions and/or affect the repeatability? of the measures, thus decreasing? the sensitivity? end of the sensor. Are these noise contributions mainly related to instabilities? of the interferometer and the noise of the surrounding environment, and may include:
- derive lente della lunghezza dei due bracci dell?interferometro, non dovute allo spostamento del sensore. Questo produce una deviazione dal punto di lavoro selezionato, come ad esempio la condizione fissata dall?Eq. (4), facendo uscire l?interferometro dalla condizione ottimale di pendenza massima del segnale interferometrico. Questo produce variazioni lente nel tempo dell?ampiezza del segnale interferometrico, che invalidano la calibrazione del sensore e compromettono sia la singola acquisizione (se il tempo di deriva ? confrontabile con la rampa lenta che spazza la frequenza del laser di eccitazione e con il tempo di integrazione del lock-in ?) sia le diverse acquisizioni in successione (questo perch? le diverse acquisizioni in successione avvengono per diversi punti di lavoro dell?interferometro). Come conseguenza, le singole acquisizioni possono essere distorte, acquisizioni in successione dello stesso gas possono produrre ampiezze misurate diverse, e, in ultima analisi, la calibrazione non ? perci? pi? valida; - slow drifts in the length of the two arms of the interferometer, not due to the movement of the sensor. This produces a deviation from the selected operating point, such as the condition set by Eq. (4), causing the interferometer to exit from the optimal condition of maximum slope of the interferometric signal. This produces slow variations over time in the amplitude of the interferometric signal, which invalidate the calibration of the sensor and compromise both the single acquisition (if the drift time is comparable with the slow ramp that sweeps the frequency of the excitation laser and with the integration of the lock-in ?) and the different acquisitions in succession (this is because the different acquisitions in succession take place for different working points of the interferometer). As a consequence, individual acquisitions may be distorted, successive acquisitions of the same gas may produce different measured amplitudes, and, ultimately, the calibration is not ? why? more? valid;
- rumore acustico o meccanico su scale di tempi veloci che inducono vibrazioni delle componenti ottiche dell?interferometro. Questo rumore produce variazioni veloci della lunghezza dei due bracci, causa rapidi cambiamenti del punto di lavoro dell?interferometro e quindi introduce rumore aggiuntivo nel segnale interferometrico misurato. - acoustic or mechanical noise on fast time scales which induce vibrations of the optical components of the interferometer. This noise produces fast variations in the length of the two arms, causes rapid changes in the working point of the interferometer and therefore introduces additional noise into the measured interferometer signal.
Questi contributi di rumore non vengono filtrati dall'amplificatore lock-in, perch? inducono variazioni nell?ampiezza del segnale che oscilla alla frequenza f (in altri termini influiscono sul valore di S) e si traducono immediatamente in rumore di ampiezza negli spettri misurati. Questo riduce la sensibilit? di rivelazione finale. These noise contributions are not filtered by the lock-in amplifier, why? they induce variations in the amplitude of the signal that oscillates at the frequency f (in other words they influence the value of S) and immediately translate into amplitude noise in the measured spectra. Does this reduce sensitivity? of final revelation.
Secondo l'invenzione, al fine di superare questo problema, viene applicato uno schema di rivelazione differenziale, centrato sul punto di lavoro (che preferibilmente ? lo zero). Questo schema di rivelazione differenziale ? ottenuto perch? i due fasci hanno polarizzazioni perfettamente ortogonali quando il trasduttore non ? in movimento. According to the invention, in order to overcome this problem, a differential detection scheme is applied, centered on the working point (which is preferably zero). This differential detection scheme? obtained why? the two beams have perfectly orthogonal polarizations when the transducer is not in movement.
Qualsiasi sbilanciamento nella polarizzazione fornisce un segnale diverso da zero, come meglio dettagliato di seguito. Un sistema di aggancio elettronico che fissa il punto di lavoro dell'interferometro ad un punto di lavoro desiderato come, ad esempio, la condizione impostata dall'Eq. (4), ? considerato. Ci? ? realizzato utilizzando un segnale differenziale ? come riferimento, come descritto di seguito. Any imbalance in polarization provides a non-zero signal, as detailed below. An electronic locking system that fixes the working point of the interferometer to a desired working point such as, for example, the condition set by Eq. (4), ? considered. There? ? made using a differential signal ? for reference, as described below.
Il sensore include un circuito stampato o qualsiasi altra opportuna circuiteria atta a creare un segnale che ? uguale alla differenza dei segnali ottenuti dai due rivelatori che rivelano i due diversi fasci di interferenza retroriflessi sopra descritti. Quindi, il segnale differenza ? il segnale generato sottraendo il valore di un segnale rilevato dal primo rivelatore dal valore dell'altro segnale rivelato dal secondo rivelatore. Ad esempio, assumendo ancora onde planari, la componente differenziale ? quindi data da: Does the sensor include a printed circuit board or any other suitable circuitry designed to create a signal that is equal to the difference of the signals obtained from the two detectors that detect the two different retroreflected interference beams described above. So, the signal difference ? the signal generated by subtracting the value of one signal detected by the first detector from the value of the other signal detected by the second detector. For example, still assuming planar waves, the differential component ? then given by:
Il segnale differenza, pertanto, ? una funzione oscillante e dipende dalla differenza tra le fasi??? ???. The signal difference, therefore, is ? an oscillating function and depends on the difference between the phases??? ???.
Qualunque spostamento del trasduttore ?(?) produce uno sbilanciamento del segnale e un valore non nullo per Any movement of the transducer ?(?) produces an unbalance of the signal and a non-zero value for
Dove ? stata applicata l'eq. (4). Bisogna capire che l'uso dell'equazione (4) ? una delle scelte possibili; infatti ? possibile selezionare qualsiasi valore della differenza di fase. Where ? Eq. was applied. (4). It must be understood that the use of equation (4) ? one of the possible choices; Indeed ? You can select any phase difference value.
Se lo spostamento ? abbastanza piccolo rispetto a l?equazione precedente pu? essere approssimata con: If the move? quite small compared to the previous equation can? be approximated with:
Dove, come dettagliato sopra Where, as detailed above
In pratica, in modo pi? intuitivo, l'interferometro converte uno spostamento del trasduttore in un segnale di ampiezza misurabile, mentre la pendenza del segnale interferometrico sinusoidale imposta il valore del fattore di conversione spostamento/ampiezza. Impostando i due bracci nella condizione di Eq.(4), questo fattore di conversione viene impostato al suo valore massimo (cio? la massima pendenza del segnale sinusoidale) e l'ampiezza misurata viene massimizzata. In practice, more? Intuitively, the interferometer converts a transducer displacement into a measurable amplitude signal, while the slope of the sinusoidal interferometric signal sets the value of the displacement/amplitude conversion factor. By setting the two arms in the condition of Eq.(4), this conversion factor is set to its maximum value (i.e. the maximum slope of the sinusoidal signal) and the measured amplitude is maximized.
Secondo l'invenzione, si desidera mantenere fisso il punto di lavoro dell'interferometro, ovvero si desidera soddisfare l'eq. (4), dove la differenza dei due segnali provenienti dal primo e dal secondo rivelatore rimane uguale a zero. Questo punto di lavoro (ovvero il valore della differenza tra le due correnti) viene mantenuto fisso durante la misura della concentrazione di gas, mentre il trasduttore ? in oscillazione. Come detto, l'Eq. (4) ? solo una tra le possibili scelte per impostare il punto di lavoro e altre scelte sono possibili. A questo scopo entra in gioco l'elemento che cambia il cammino ottico. Per mantenere fisso il punto di lavoro, ? necessario modificare il cammino ottico definito dal secondo braccio dell'interferometro. Il cambio di cammino ottico viene, ad esempio, operato sull'attuatore che a sua volta opera sull'elemento che cambia il cammino ottico. Ad esempio, se l'elemento che cambia il cammino ottico ? un elemento riflettente mobile, quest'ultimo ? spostato. Ci? induce una variazione del cammino ottico del secondo braccio dell'interferometro. Per ?agganciare? il valore del segnale differenza ID al valore desiderato, quindi, viene utilizzato l'attuatore che modifica il cammino ottico definito dal secondo braccio dell'interferometro. L'attuatore pu? essere, ad esempio, un elemento piezoelettrico che sposta fisicamente l'elemento riflettente mobile. Il punto di aggancio viene fissato al valore zero di e tale valore viene mantenuto agendo sull'elemento riflettente mobile, regolando cos? la corrispondente lunghezza del percorso. Questo blocco pu? essere eseguito, ad esempio, utilizzando un controller proporzionale-integrale-derivativo (controllore PID), che definisce una larghezza per la banda di aggancio. Questa soluzione presenta diversi vantaggi: According to the invention, it is desired to keep the working point of the interferometer fixed, i.e. it is desired to satisfy Eq. (4), where the difference of the two signals coming from the first and second detectors remains equal to zero. This working point (i.e. the value of the difference between the two currents) is kept fixed during the measurement of the gas concentration, while the transducer ? in oscillation. As mentioned, Eq. (4) ? only one of the possible choices to set the working point and other choices are possible. For this purpose, the element that changes the optical path comes into play. To keep the working point fixed, ? It is necessary to modify the optical path defined by the second arm of the interferometer. The change of optical path is, for example, operated on the actuator which in turn operates on the element that changes the optical path. For example, if the element that changes the optical path is ? a mobile reflective element, the latter? moved. There? induces a variation of the optical path of the second arm of the interferometer. To ?hook? the value of the difference signal ID to the desired value, then, the actuator is used which modifies the optical path defined by the second arm of the interferometer. The actuator can be, for example, a piezoelectric element that physically moves the moving reflective element. The attachment point is fixed at the zero value of and this value is maintained by acting on the mobile reflective element, thus regulating the corresponding length of the path. This block can be performed, for example, using a proportional-integral-derivative controller (PID controller), which defines a width for the locking band. This solution has several advantages:
- Cancella i contributi di rumore entro la larghezza della banda di aggancio, riducendo cos? il rumore di fondo; - Cancels noise contributions within the width of the lock band, thus reducing background noise;
- Cancella le derive lente del punto di lavoro, risolvendo cos? il problema della ripetibilit? delle misure nel tempo e della calibrazione. - Cancels the slow drifts of the working point, thus solving? the problem of repeatability? of measurements over time and calibration.
Quando la frequenza del trasduttore (cio? la frequenza di modulazione del laser infrarosso) ? molto superiore alla banda di aggancio, il circuito di aggancio non ? in grado di ?correggere? le variazioni di fase indotte dalle oscillazioni del trasduttore. Ci? significa che il circuito di aggancio non perturba il segnale per assorbimento di gas, che pu? essere recuperato analizzando una delle due uscite dei rivelatori (D1 o D2), e mantiene l'interferometro stabile nel tempo solo nelle condizioni ottimali. Pertanto, in una prima forma di realizzazione dell'invenzione, le informazioni spettroscopiche desiderate sono ottenute dal segnale generato dal primo o dal secondo rivelatore in risposta alla rivelazione del primo o del secondo fascio interferente. In questa forma di realizzazione, quindi, il segnale D2-D1 ? utilizzato per il circuito di aggancio e l'uscita D1 (o D2) ? inviata all'amplificatore lock-in per l'analisi spettroscopica. Per ottenere questa condizione, invece di utilizzare la frequenza di risonanza del trasduttore fondamentale (se troppo bassa), si pu? utilizzare uno dei modi risonanti pi? alti. Un ulteriore vantaggio dell'utilizzo di una modalit? risonante ad alta frequenza ? il minor contributo del rumore ambientale alle frequenze pi? alte, che aumenta il rapporto segnale-rumore finale. When the frequency of the transducer (i.e. the modulation frequency of the infrared laser) is much higher than the locking band, the locking circuit is not? able to ?correct? the phase variations induced by the oscillations of the transducer. There? it means that the coupling circuit does not disturb the signal due to gas absorption, which can? be recovered by analyzing one of the two detector outputs (D1 or D2), and keeps the interferometer stable over time only in optimal conditions. Therefore, in a first embodiment of the invention, the desired spectroscopic information is obtained from the signal generated by the first or second detector in response to the detection of the first or second interfering beam. In this embodiment, therefore, the D2-D1 signal is ? used for the latching circuit and the D1 (or D2) output? sent to the lock-in amplifier for spectroscopic analysis. To obtain this condition, instead of using the resonant frequency of the fundamental transducer (if too low), you can? use one of the most resonant modes? tall. An additional advantage of using a mode? high frequency resonant? the lower contribution of environmental noise to the higher frequencies? high, which increases the final signal-to-noise ratio.
In una modalit? alternativa, per ricavare l?informazione spettroscopica si usa un segnale diverso. La prima modalit? di utilizzo, descritta sopra, si applica quando la banda di aggancio ? molto minore della frequenza di modulazione f, cosa che si pu? ottenere ad esempio quando si utilizza un modo di risonanza del trasduttore di ordine pi? elevato. In alternativa, un?altra opzione ? quella di usare una banda di aggancio pi? grande della frequenza di modulazione. Questo pu? accadere, ad esempio, quando si utilizza un modo risonante di bassa frequenza, come ad esempio il modo fondamentale. Questa opzione pu? rivelarsi particolarmente vantaggiosa quando il rumore ambientale ? basso e non influenza sensibilmente la misura. Un vantaggio che viene dall?uso di un modo di bassa frequenza ? che solitamente si tratta di un modo pi? forte di quelli di ordine pi? elevato, e quindi l?ampiezza di oscillazione del trasduttore ? pi? grande. In questo caso, la banda di aggancio pu? essere dello stesso ordine di grandezza della frequenza di modulazione o persino maggiore. Questo significa che il circuito di aggancio non si limita a mantenere il punto di lavoro dell?interferometro al valore zero di D2-D1, ma ?corregge? anche le oscillazioni stesse del cantilever. Di conseguenza, il segnale che viene da D1 e D2 ? soppresso dal circuito di aggancio (parzialmente o totalmente, a seconda dei parametri del circuito di aggancio). In one mode? alternatively, a different signal is used to obtain the spectroscopic information. The first mode? of use, described above, applies when the attachment band? much lower than the modulation frequency f, which is possible? obtain for example when using a pi-order transducer resonance mode? high. Alternatively, another option? that of using a more fastening band? larger than the modulation frequency. Can this? happen, for example, when using a low-frequency resonant mode, such as the fundamental mode. This option can prove particularly advantageous when environmental noise ? low and does not significantly influence the measurement. An advantage that comes from using a low frequency mode? which is usually a more convenient way? stronger than those of a higher order? high, and therefore the oscillation amplitude of the transducer is ? more? great. In this case, the attachment band can? be of the same order of magnitude as the modulation frequency or even greater. This means that the locking circuit does not simply maintain the working point of the interferometer at the zero value of D2-D1, but ?corrects? even the oscillations of the cantilever themselves. Consequently, the signal coming from D1 and D2 is ? suppressed by the latching circuit (partially or totally, depending on the latching circuit parameters).
In questo caso, invece di usare il segnale in uscita da D1 (o D2) per l?analisi spettroscopica, ? conveniente usare il segnale di errore inviato all?attuatore connesso con l?elemento che cambia il cammino ottico. Assumendo che il circuito di aggancio sia sufficientemente forte e veloce da cancellare completamente il segnale interferometrico, allora significa che l?aggancio ? sufficientemente veloce da seguire le oscillazioni del trasduttore e agisce sull?attuatore in modo da correggere le variazioni di fase indotte dalle oscillazioni del trasduttore. Di conseguenza, i segnali da D1 (o D2) vengono mantenuti a un valore costante, solitamente zero, e non possono essere usati per l?analisi spettroscopica. In this case, instead of using the output signal from D1 (or D2) for the spectroscopic analysis, ? it is convenient to use the error signal sent to the actuator connected to the element that changes the optical path. Assuming that the locking circuit is strong and fast enough to completely cancel the interferometric signal, then this means that locking is successful. fast enough to follow the oscillations of the transducer and acts on the actuator in order to correct the phase variations induced by the oscillations of the transducer. As a result, the signals from D1 (or D2) are held at a constant value, usually zero, and cannot be used for spectroscopic analysis.
Tuttavia, l?informazione spettroscopica non ? perduta, perch? viene trasferita al segnale inviato all?attuatore che agisce sull?elemento che cambia il cammino ottico (ad esempio che sposta l?elemento riflettente mobile): questo segnale, che ? ad esempio il segnale di errore dal PID, adesso contiene i contributi che vengono dai rumori esterni e dalle derive lente dell?interferometro aggiunti al contributo che viene dal trasduttore. Quest?ultimo ? l?unico contributo che oscilla alla frequenza f, e pu? quindi essere facilmente separato dai contributi di rumore. In questo caso, il segnale di errore viene diviso in due parti: una ? inviata al circuito PID dell?anello di aggancio, l?altra ? inviata al lock-in per la demodulazione. Il segnale demodulato dall?amplificatore lock-in riproduce l?ampiezza di oscillazione del trasduttore e pu? essere utilizzato per l?analisi spettroscopica. Anche in questo caso il circuito di aggancio aiuta a migliorare il rapporto segnale-rumore della misura, perch? rimuove le derive lente e mantiene il punto di lavoro dell?interferometro nella condizione ottimale. However, the spectroscopic information is not lost, why? is transferred to the signal sent to the actuator which acts on the element which changes the optical path (for example which moves the mobile reflective element): this signal, which is for example the error signal from the PID now contains the contributions that come from external noises and the slow drifts of the interferometer added to the contribution that comes from the transducer. The latter ? the only contribution that oscillates at the frequency f, and can? therefore be easily separated from noise contributions. In this case, the error signal is divided into two parts: one ? sent to the PID circuit of the engagement ring, the other is sent to lock-in for demodulation. The signal demodulated by the lock-in amplifier reproduces the oscillation amplitude of the transducer and can be used for spectroscopic analysis. Also in this case the locking circuit helps to improve the signal-to-noise ratio of the measurement, why? removes slow drifts and keeps the working point of the interferometer in optimal condition.
Le frange di interferenza che raggiungono il rivelatore possono essere ulteriormente processate, per esempio pu? essere realizzata una demodulazione. Preferibilmente, viene realizzata una Trasformata di Fourier del segnale ottenuto dal rivelatore. Dall?analisi della Trasformata di Fourier pu? essere ottenuta l?informazione relativa alla concentrazione del gas. The interference fringes reaching the detector can be further processed, e.g. demodulation be carried out. Preferably, a Fourier Transform of the signal obtained from the detector is carried out. From the analysis of the Fourier Transform it can information relating to the concentration of the gas can be obtained.
Preferibilmente, il trasduttore pu? essere realizzato in uno di questi materiali: Silicio, SiO2, Si3N4, SiC e polimeri che includono loro forme amorfe o cristalline o in forme non stechiometriche. Il materiale che costituisce il trasduttore ? depositato su un substrato di silicio. Il trasduttore pu? essere ricoperto da un sottile strato metallico, o di ossido di metallo, o da un multistrato dielettrico. Preferably, the transducer can be made of one of these materials: Silicon, SiO2, Si3N4, SiC and polymers including amorphous or crystalline forms thereof or in non-stoichiometric forms. The material that makes up the transducer? deposited on a silicon substrate. The transducer can be covered by a thin layer of metal, or metal oxide, or by a dielectric multilayer.
Questi materiali consentono di usare il trasduttore anche in ambienti difficili. These materials allow the transducer to be used even in harsh environments.
Preferibilmente, il sensore include una struttura di smorzamento e isolamento situata tra la camera e il trasduttore, il trasduttore essendo connesso alla camera soltanto attraverso la struttura di smorzamento e isolamento. Per isolare Il modo meccanico risonante a una determinata frequenza dal rumore acustico esterno, che pu? degradare il segnale aumentando il rumore di fondo e creando problemi di aggancio, viene aggiunta una struttura di smorzamento e isolamento. La struttura ? interposta tra il trasduttore e la camera. La struttura circonda il trasduttore o, in alternativa, lo tiene almeno da un lato. Preferibilmente la massa della struttura ? molto maggiore della massa del trasduttore. Preferably, the sensor includes a damping and isolation structure located between the chamber and the transducer, the transducer being connected to the chamber only through the damping and isolation structure. To isolate the mechanical mode resonant at a given frequency from external acoustic noise, which can? degrade the signal by increasing background noise and creating locking problems, a damping and isolation structure is added. Structure ? placed between the transducer and the chamber. The structure surrounds the transducer or, alternatively, holds it at least on one side. Preferably the mass of the structure? much greater than the mass of the transducer.
Preferibilmente, il valore desiderato della costante ? uguale a zero. Preferably, the desired value of the constant ? equal to zero.
Preferibilmente il punto di lavoro dell'interferometro, cio? il valore di ID , che ? fissato e agganciato ? il valore scritto nell?Eq. (4). In questo modo, si mantiene il punto di lavoro alla pendenza massima del segnale interferometrico, massimizzando cos? il fattore di conversione. Preferably the working point of the interferometer, that is? the value of ID , which ? fixed and hooked? the value written in Eq. (4). In this way, the operating point is maintained at the maximum slope of the interferometric signal, thus maximizing the conversion factor.
Preferibilmente, in cui la dimensione del trasduttore ? compresa nell?intervallo tra 10 ?m e 2 cm. Preferably, where the size of the transducer is ? included in the interval between 10 ?m and 2 cm.
Tale dimensione ? definita come il segmento di lunghezza massima che connette due punti differenti del trasduttore. This size? defined as the segment of maximum length that connects two different points of the transducer.
Le dimensioni sono direttamente collegate alle frequenze di risonanza del trasduttore. Le risonanze sono scelte a seconda dell'applicazione o dell'ambiente o delle molecole da rilevare. The dimensions are directly related to the resonant frequencies of the transducer. The resonances are chosen depending on the application or the environment or molecules to be detected.
Preferibilmente, il metodo comprende la fase di mettere in oscillazione il trasduttore a una frequenza uguale alla frequenza di risonanza del trasduttore o ad una risonanza di ordine pi? elevato. Preferably, the method includes the step of oscillating the transducer at a frequency equal to the resonant frequency of the transducer or at a resonance of higher order? high.
Il trasduttore ha una frequenza di risonanza meccanica fondamentale e risonanze di ordine pi? elevato. Preferibilmente, viene selezionata la frequenza di risonanza fondamentale o una risonanza di ordine pi? elevato in modo da avere la maggiore ampiezza di oscillazione. Oscillazioni pi? ampie sono pi? semplici da rivelare e con un rapporto segnale-rumore pi? alto. The transducer has a fundamental mechanical resonance frequency and higher order resonances? high. Preferably, the fundamental resonant frequency or a higher order resonance is selected? high so as to have the greatest oscillation amplitude. More oscillations? are wider simple to detect and with a higher signal-to-noise ratio? high.
Preferibilmente, il metodo comprende la fase di ottenere la concentrazione del gas dalla fase di rivelare il primo fascio di interferenza o dalla fase di rivelare il secondo fascio di interferenza se la frequenza dei movimenti dell'elemento che cambia il cammino ottico ? molto minore della frequenza di modulazione del laser di eccitazione. Preferably, the method comprises the step of obtaining the gas concentration from the step of detecting the first interference beam or from the step of detecting the second interference beam if the frequency of the movements of the element that changes the optical path is ? much lower than the modulation frequency of the excitation laser.
In alternativa, preferibilmente, il metodo comprende la fase di ottenere la concentrazione del gas attraverso: Alternatively, preferably, the method comprises the step of obtaining the gas concentration through:
- l?azionamento dell?attuatore in modo da cambiare la lunghezza del cammino ottico del secondo braccio, cos? che il segnale differenza ? mantenuto uguale al valore del punto di lavoro; - the activation of the actuator in order to change the length of the optical path of the second arm, thus? what is the difference signal? kept equal to the working point value;
- l?ottenimento della concentrazione del gas demodulando il segnale di errore. - obtaining the gas concentration by demodulating the error signal.
L?invenzione sar? adesso descritta in modo pi? chiaro con riferimento non limitativo ai disegni allegati, dove: The invention will be now described in a more detailed way? clear with non-limiting reference to the attached drawings, where:
- la Fig.1 mostra una rappresentazione schematica di un sensore per la misura di concentrazione di un gas secondo l'invenzione ; - Fig.1 shows a schematic representation of a sensor for measuring the concentration of a gas according to the invention;
- Fig.2 ? una rappresentazione pi? dettagliata del sensore di figura 1; - Fig.2 ? a better representation? detailed view of the sensor in figure 1;
- Fig.3 ? un'altra rappresentazione pi? dettagliata del sensore delle figure 1 e 2; - Fig.3 ? another more representation? detailed view of the sensor in figures 1 and 2;
- Fig.4 ? una rappresentazione schematica della polarizzazione del segnale che viaggia nel sensore di figura 3; - Fig.4 ? a schematic representation of the polarization of the signal traveling in the sensor of figure 3;
- le Figure 5-8 sono viste prospettiche di quattro diverse versioni di trasduttori inclusi nel sensore delle figure 1-3; - Figures 5-8 are perspective views of four different versions of transducers included in the sensor of figures 1-3;
- le Figure 9 e 10 sono una vista dall?alto e una vista prospettica di un ulteriore versione del trasduttore incluso del sensore delle figure 1-3; - Figures 9 and 10 are a top view and a perspective view of a further version of the transducer included in the sensor of figures 1-3;
- le Figure 11-14 mostrano viste dall?alto di diverse versioni di un dettaglio delle figure 9 e 10; - Figures 11-14 show top views of different versions of a detail of figures 9 and 10;
- Fig.15 mostra un grafico risultante da una misura realizzata dal sensore delle figure 1-3; - Fig.15 shows a graph resulting from a measurement made by the sensor of figures 1-3;
- le Figure 16 e 17 sono grafici che mostrano un confronto tra una misura (fig.16) realizzata non secondo l'invenzione e una misura (fig.17) realizzata secondo l?invenzione; - Figures 16 and 17 are graphs that show a comparison between a measurement (fig.16) made not according to the invention and a measurement (fig.17) made according to the invention;
- le Figure 18 e 19 sono grafici che mostrano un confronto tra un?ulteriore misura (fig.18) realizzata non secondo l?invenzione e un?ulteriore misura (fig.19) realizzata secondo l?invenzione; - Figures 18 and 19 are graphs that show a comparison between a further measurement (fig.18) made not according to the invention and a further measurement (fig.19) made according to the invention;
- Fig.20 mostra una serie di passaggi del metodo di realizzazione di un trasduttore in 3C-SiC eteroepitassiale secondo l?invenzione; - Fig.20 shows a series of steps of the method of manufacturing a heteroepitaxial 3C-SiC transducer according to the invention;
- Fig.21 mostra una serie di passaggi del metodo di realizzazione di un trasduttore in silicio secondo l?invenzione; - Fig.21 shows a series of steps of the method of manufacturing a silicon transducer according to the invention;
- le Figure 22,23 e 24 mostrano diverse versioni di un trasduttore incluso nel sensore fotoacustico secondo l?invenzione; - Figures 22,23 and 24 show different versions of a transducer included in the photoacoustic sensor according to the invention;
- le Figure 25a, 25b, 26a, e 26b si riferiscono ad acquisizioni spettroscopiche di una riga di N2O. - Figures 25a, 25b, 26a, and 26b refer to spectroscopic acquisitions of a line of N2O.
In riferimento alla figura 1, viene schematicamente illustrato un sensore di gas realizzato secondo l?invenzione, e indicato globalmente con 1. With reference to figure 1, a gas sensor made according to the invention is schematically illustrated, and indicated globally with 1.
Il sensore 1 ? utilizzato per misurare la concentrazione di un gas selezionato. Preferibilmente, quindi, usando il sensore 1 pu? essere misurata la concentrazione di una specie molecolare selezionata e analizzata la composizione di un campione gassoso. Sensor 1? used to measure the concentration of a selected gas. Preferably, therefore, using sensor 1 can? the concentration of a selected molecular species can be measured and the composition of a gaseous sample analysed.
Il sensore 1 include una camera 2 dove viene inserito il gas 3 da misurare. La camera 2 pu? lavorare in condizioni statiche o in regime di flusso continuo. Nel primo caso, la camera ? riempita col gas di interesse, alla pressione desiderata, e sigillata o chiusa mediante una valvola, in altre parole ? resa impermeabile per il gas 3 di interesse. Nel secondo caso, nella camera viene mantenuto un flusso costante del gas di interesse per tutta la durata della misura. Il gas 3 di interesse ? schematizzato in figura 1 come palline che si muovono. The sensor 1 includes a chamber 2 where the gas 3 to be measured is inserted. Can room 2? work in static conditions or in continuous flow. In the first case, the room is filled with the gas of interest, to the desired pressure, and sealed or closed by a valve, in other words ? made impervious to the gas 3 of interest. In the second case, a constant flow of the gas of interest is maintained in the chamber for the entire duration of the measurement. Gas 3 of interest? schematized in figure 1 as moving balls.
Il sensore 1 include anche un primo laser 4, chiamato laser di eccitazione. Il laser pu? essere ad esempio un laser infrarosso (?IR Laser? in figura 2), e deve emettere radiazione risonante, in frequenza, con la transizione desiderata della molecola di interesse. Questo laser di eccitazione ? adatto a produrre un fascio laser di eccitazione, disegnato con una freccia 5 nelle figure 1 e 2, che entra nella camera 2 e interagisce col gas 3. Il fascio laser di eccitazione pu? essere modulato in frequenza e/o in ampiezza. The sensor 1 also includes a first laser 4, called the excitation laser. Can the laser be for example an infrared laser (?IR Laser? in figure 2), and must emit radiation resonant, in frequency, with the desired transition of the molecule of interest. This laser of excitation? suitable for producing an excitation laser beam, drawn with an arrow 5 in figures 1 and 2, which enters the chamber 2 and interacts with the gas 3. The excitation laser beam can? be modulated in frequency and/or amplitude.
Il fascio laser di eccitazione interagisce con una (o pi?, quando viene sintonizzato in frequenza) specie molecolare gassosa nella camera 2, che assorbe una parte della luce e riemette l?energia assorbita in forma di energia collisionale verso altre molecole del gas nella camera. Questo crea un?onda di pressione che si propaga nel campione gassoso 3. L?assorbimento e la conseguente generazione dell?onda di pressione possono essere modulate nel tempo modulando l?interazione tra il fascio laser di eccitazione 5 e il gas 3. The excitation laser beam interacts with one (or more, when frequency tuned) gaseous molecular species in chamber 2, which absorbs some of the light and re-emits the absorbed energy in the form of collisional energy towards other gas molecules in the chamber . This creates a pressure wave that propagates in the gaseous sample 3. The absorption and consequent generation of the pressure wave can be modulated over time by modulating the interaction between the excitation laser beam 5 and the gas 3.
Per questo, come detto sopra, il laser di eccitazione 4 ? atto a generare un fascio laser 5 che pu? essere modulato in frequenza o ampiezza. For this reason, as mentioned above, the excitation laser 4? capable of generating a laser beam 5 which can? be modulated in frequency or amplitude.
La camera 2 comprende inoltre un trasduttore 6, ad esempio una struttura MEMS. Il trasduttore 6 ? in contatto col gas 3 cos? che l?onda di pressione creata dal fascio laser di eccitazione 5 pu? investire il trasduttore stesso. Nella versione illustrata, il trasduttore 6 ? fissato a una parete 2a della camera attraverso un piedistallo 7. Preferibilmente, il trasduttore 6 ? collocato nella camera 2 a una distanza dal fascio laser di eccitazione 5 che massimizza l?effetto dell?onda di pressione sul trasduttore. L?onda di pressione generata dal fascio laser di eccitazione mette in movimento il trasduttore 6. Modulando il fascio laser di eccitazione 5 come dettagliato sopra, pu? essere creata un?onda di pressione alla frequenza di risonanza del trasduttore 6. Preferibilmente, quindi, il trasduttore ? posto in oscillazione dall?onda di pressione ad una frequenza uguale alla frequenza di risonanza del trasduttore 6 o ad una sotto-armonica della frequenza di risonanza. The chamber 2 further comprises a transducer 6, for example a MEMS structure. The transducer 6 ? in contact with the gas 3 cos? that the pressure wave created by the excitation laser beam 5 can? run over the transducer itself. In the illustrated version, the transducer 6? fixed to a wall 2a of the chamber through a pedestal 7. Preferably, the transducer 6 is placed in chamber 2 at a distance from the excitation laser beam 5 that maximizes the effect of the pressure wave on the transducer. The pressure wave generated by the excitation laser beam sets the transducer 6 in motion. By modulating the excitation laser beam 5 as detailed above, it can be created a pressure wave at the resonant frequency of the transducer 6. Preferably, therefore, the transducer? set into oscillation by the pressure wave at a frequency equal to the resonance frequency of the transducer 6 or to a sub-harmonic of the resonance frequency.
Una superficie del trasduttore 6 ? rivestita da un sottile strato riflettente, cos? che la superficie rivestita pu? comportarsi come uno specchio. Il materiale del rivestimento e il suo spessore sono determinati in modo da resistere all?ambiente gassoso e massimizzare la riflettivit? alla lunghezza d?onda del laser usato nella lettura interferometrica. A transducer surface 6 ? covered with a thin reflective layer, so? that the coated surface can? act like a mirror. The cladding material and its thickness are determined to resist the gaseous environment and maximize reflectivity. to the wavelength of the laser used in interferometric reading.
Il trasduttore 6 comprende un componente principale 6c. Il componente principale 6c comprende un elemento riflettente 6d con almeno una porzione riflettente che forma uno specchio dell?interferometro. The transducer 6 comprises a main component 6c. The main component 6c comprises a reflective element 6d with at least one reflective portion forming a mirror of the interferometer.
Il trasduttore 6 pu? avere una forma qualsiasi. Alcune delle possibili forme sono illustrate nelle figure 5-8. Un primo esempio di trasduttore ? un MEMS rettangolare 6a. Il MEMS rettangolare pu? essere collegato alla camera 2, ad esempio ad una sua parete 2a, in un singolo punto 9 (vedi figura 6) o la stessa struttura 6a pu? essere collegata alla parete 2a in pi? punti, come ad esempio due punti 9a, 9b di figura 5. Pu? essere preso in considerazione un qualsiasi numero di punti. Nell?esempio delle figure 7 e 8, un viene usato un MEMS circolare 6b come trasduttore 6. Allo stesso modo del MEMS rettangolare 6a, il MEMS circolare 6b pu? essere collegato alla camera 2, ad esempio alla parete 2a, in un singolo punto 9 (vedi figura 8) o la stessa struttura 6b pu? essere collegata alla parete 2a in pi? punti, come ad esempio in due punti 9a, 9b di figura 7. Pu? ugualmente essere preso in considerazione un qualsiasi numero di punti. The transducer 6 can? have any shape. Some of the possible shapes are illustrated in figures 5-8. A first example of a transducer? a rectangular MEMS 6a. Rectangular MEMS can be connected to the chamber 2, for example to one of its walls 2a, at a single point 9 (see figure 6) or the same structure 6a can? be connected to the 2nd wall more? points, such as two points 9a, 9b of figure 5. Pu? any number of points can be taken into account. In the example of figures 7 and 8, a circular MEMS 6b is used as transducer 6. In the same way as the rectangular MEMS 6a, the circular MEMS 6b can? be connected to the chamber 2, for example to the wall 2a, at a single point 9 (see figure 8) or the same structure 6b can? be connected to the 2nd wall more? points, such as in two points 9a, 9b of figure 7. Pu? any number of points can also be taken into consideration.
Inoltre, il trasduttore 6, indipendentemente dalla sua forma, pu? essere connesso alla camera 2 attraverso pi? stadi, come illustrato nelle figure 9 e 10. Le figure 9 e 10 si riferiscono solo al MEMS circolare 6b, ma lo stesso principio pu? venire applicato a qualsiasi forma del trasduttore 6. In altre parole, l?elemento riflettente 6d del trasduttore 6 pu? essere connesso direttamente alla camera o tra di essi pu? venire interposto uno stadio. Per esempio, il sensore 1 pu? ulteriormente comprendere una struttura di smorzamento e isolamento 15 posizionata tra il componente principale 6c e la camera 2. Ci? significa che il collegamento tra la camera 2 e il componente principale 6c ? effettuato mediante la struttura di smorzamento e isolamento 15. Il ruolo della struttura di smorzamento e isolamento ? quello di isolare il modo di risonanza meccanica ad una determinata frequenza del trasduttore 6 dal rumore acustico esterno, che potrebbe degradare il segnale aumentando il rumore di fondo e creando problemi all?aggancio (vedi sotto nella descrizione del metodo di rivelazione interferometrica). Furthermore, the transducer 6, regardless of its shape, can be connected to room 2 through pi? stages, as illustrated in figures 9 and 10. Figures 9 and 10 refer only to the circular MEMS 6b, but the same principle can? be applied to any shape of the transducer 6. In other words, the 6d reflective element of the transducer 6 can? be connected directly to the room or between them can? a stage be placed in between. For example, sensor 1 can? further comprise a damping and isolation structure 15 positioned between the main component 6c and the chamber 2. This? does this mean that the connection between chamber 2 and main component 6c ? carried out through the damping and isolation structure 15. The role of the damping and isolation structure ? that of isolating the mechanical resonance mode at a given frequency of the transducer 6 from the external acoustic noise, which could degrade the signal by increasing the background noise and creating locking problems (see below in the description of the interferometric detection method).
Essenzialmente, il componente principale 6c ? ?isolato? utilizzando una struttura multi-stadio (nelle figure 9 e 10 sono rappresentati, per semplicit?, trasduttori 6 a singolo-stadio). La struttura di smorzamento e isolamento 15 pu? essere a simmetria circolare o poligonale (per esempio rettangolare). La forma geometrica della struttura di smorzamento e isolamento 15 pu? dipendere dalla geometria del componente principale 6c e dal processo di fabbricazione. La struttura di smorzamento e isolamento 15 ha una massa molto maggiore di quella del componente principale 6c. Essentially, the main component 6c ? ?isolated? using a multi-stage structure (in figures 9 and 10, for simplicity, single-stage transducers 6 are represented). The damping and isolation structure 15 can? be circular or polygonal symmetrical (for example rectangular). The geometric shape of the damping and isolation structure 15 can? depend on the geometry of the main component 6c and the manufacturing process. The damping and isolation structure 15 has a much greater mass than that of the main component 6c.
La struttura di smorzamento e isolamento collega la camera al componente principale 6c. Il componente principale 6c non ? collegato in alcun altro modo alla camera, cio? il componente principale 6c ? collegato alla camera soltanto attraverso la struttura di smorzamento e isolamento 15. In linea di principio, il componente principale 6c viene isolato attraverso una grande massa (rispetto al componente principale 6c e alle strutture di supporto dettagliate sotto), che filtra via il rumore a bassa frequenza. Sono possibili diverse geometrie per le strutture di sospensione (vedi punto c pi? sotto). In questo modo, la struttura complessiva trasduttore struttura di smorzamento e isolamento 15 ha vari modi di risonanza meccanica, che includono almeno un modo nel quale si muove soltanto il componente principale 6c. La frequenza di questo modo ? lontana dal modo fondamentale della struttura complessiva. Per questa ragione ? possibile ottenere un buon isolamento meccanico e lavorare con un buon rapporto segnale-rumore dell?interferometro. The damping and isolation structure connects the chamber to the main component 6c. The main component 6c is not ? connected in any other way to the camera, that is? the main component 6c ? connected to the chamber only through the damping and isolation structure 15. In principle, the main component 6c is isolated through a large mass (relative to the main component 6c and the supporting structures detailed below), which filters out low-level noise frequency. Different geometries are possible for the suspension structures (see point c below). In this way, the overall transducer damping and isolation structure 15 has various mechanical resonance modes, which include at least one mode in which only the main component 6c moves. The frequency of this way? far from the fundamental mode of the overall structure. For this reason ? It is possible to obtain good mechanical isolation and work with a good signal-to-noise ratio of the interferometer.
Preferibilmente, la struttura di smorzamento e isolamento 15 circonda il componente principale 6c. Preferably, the damping and isolation structure 15 surrounds the main component 6c.
Preferibilmente, le connessioni tra la struttura di smorzamento e isolamento 15 e il trasduttore sono realizzate attraverso una o pi? strutture di prima sospensione, tutte nominate 16 nelle figure. La struttura di prima sospensione ? una speciale tipologia di collegamento tra l'elemento riflettente 6d e la camera oppure tra l'elemento riflettente 6d e la struttura di smorzamento e isolamento 15. La struttura di prima sospensione comprende elementi elongati (chiamati anche sospensioni) che riducono la lunghezza del perimetro esterno dell?elemento riflettente 6d collegato alla struttura di isolamento e sospensione 15. Preferably, the connections between the damping and isolation structure 15 and the transducer are made through one or more first suspension structures, all named 16 in the figures. The first suspension structure? a special type of connection between the reflective element 6d and the chamber or between the reflective element 6d and the damping and insulation structure 15. The first suspension structure includes elongated elements (also called suspensions) which reduce the length of the external perimeter of the 6d reflective element connected to the isolation and suspension structure 15.
Pu? essere presente anche una seconda struttura di sospensione 18, simile alla struttura di prima sospensione 16, in modo da collegare la struttura di smorzamento isolamento 15 alla camera 2. Can you? there must also be a second suspension structure 18, similar to the first suspension structure 16, so as to connect the insulation damping structure 15 to the chamber 2.
Le strutture di sospensione 16, 18 possono avere quattro diverse tipologie, illustrate nelle figure 11-14. Nel seguito solo la struttura di prima sospensione ? indicata nelle figure, ma la stessa forma si applica anche alla struttura di seconda sospensione 18. Nella figura 11 ? mostrata una sospensione 16 a forma di trave. La sospensione ? sostanzialmente come una barra e si estende lungo una singola direzione per una data lunghezza. Nella figura 12 ? mostrata una sospensione 16 a forma di L. La sospensione si estende lungo una prima direzione per una prima determinata lunghezza, quindi fa una curva a 90? e si estende lungo una seconda direzione per una determinata seconda lunghezza. Nella figura 13 ? mostrata una sospensione a forma di Z. La sospensione di estende In una prima direzione per una prima determinata lunghezza, poi compie una curva <90? e si estende lungo una seconda direzione per una seconda determinata lunghezza, fa quindi una seconda curva <90? e si estende lungo una terza direzione per una terza determinata lunghezza, preferibilmente in modo parallelo alla prima direzione. In figura 14 ? mostrata una sospensione a forma di S. The suspension structures 16, 18 can have four different types, illustrated in figures 11-14. In the following only the first suspension structure? indicated in the figures, but the same shape also applies to the second suspension structure 18. In figure 11? shown is a beam-shaped suspension 16. The suspension ? essentially like a bar and extends along a single direction for a given length. In figure 12 ? An L-shaped suspension 16 is shown. The suspension extends along a first direction for a first given length, then makes a 90° bend. and extends along a second direction for a given second length. In figure 13 ? A Z-shaped suspension is shown. The suspension extends in a first direction for a first given length, then makes a curve <90? and extends along a second direction for a second given length, therefore makes a second curve <90? and extends along a third direction for a third given length, preferably parallel to the first direction. In figure 14? an S-shaped suspension shown.
Per formare una sospensione 16, 18 pu? essere utilizzata anche una combinazione delle forme sopra descritte. Per esempio, per formare una sospensione che ha una struttura a spirale possono essere combinate forme a trave e a L. Inoltre, possono essere combinate in successione due o pi? strutture a forma di S. To form a suspension 16, 18 can? a combination of the forms described above can also be used. For example, beam and L-shapes can be combined to form a suspension that has a spiral structure. Furthermore, two or more? S-shaped structures.
La scelta della forma della struttura di sospensione dipende dalla rigidit? torsionale del trasduttore 6. Inoltre, la scelta della forma della struttura di sospensione dipende dal tipo di movimento realizzato dal trasduttore 6. Inoltre, la scelta della forma della struttura di sospensione dipende dalla frequenza di lavoro del trasduttore. The choice of shape of the suspension structure depends on the rigidity? torsional of the transducer 6. Furthermore, the choice of the shape of the suspension structure depends on the type of movement performed by the transducer 6. Furthermore, the choice of the shape of the suspension structure depends on the operating frequency of the transducer.
Nel caso in cui i trasduttori abbiano geometrie relativamente complesse, strutture con dimensioni simili possono essere risonanti a frequenze abbastanza diverse e con diversi spostamenti, in particolare con diverse tipologie di spostamento. ? possibile che trasduttori che hanno sostanzialmente la stessa dimensione (dove dimensione significa la massima dimensione del trasduttore, definita sopra) abbiano una frequenza di risonanza molto diversa. L'intervallo delle frequenze di risonanza ottenibili va da centinaia di Hz ad alcuni MHz. Questa viene ottenuta scegliendo il numero di punti di ancoraggio a cui connettere l'elemento riflettente 6d alla struttura di smorzamento e isolamento, 15 attraverso le sospensioni 16. Dipende anche dal numero di punti di ancoraggio a cui ? connessa la struttura di smorzamento isolamento 15 alla camera 2 attraverso le sospensioni 18. Dipende anche dalla forma delle sospensioni. In the case where the transducers have relatively complex geometries, structures with similar dimensions can be resonant at quite different frequencies and with different displacements, in particular with different types of displacement. ? It is possible that transducers that are essentially the same size (where size means the maximum size of the transducer, defined above) have a very different resonant frequency. The range of achievable resonance frequencies goes from hundreds of Hz to a few MHz. This is obtained by choosing the number of anchoring points to which to connect the reflective element 6d to the damping and insulation structure, 15 through the suspensions 16. It also depends by the number of anchor points to which ? connected the insulation damping structure 15 to the chamber 2 through the suspensions 18. It also depends on the shape of the suspensions.
Inoltre, il sensore 1 comprende un interferometro 11 (visibile nelle figure 2 e 3) e un secondo laser 10, chiamato laser di lettura. L'interferometro 11 ? utilizzato insieme al secondo laser 10 per rivelare l'oscillazione del trasduttore 6 per via interferometrica. Il secondo laser 10 ? preferibilmente un laser di bassa potenza, per esempio, un laser HeNe o un diodo laser. L'interferometro 11 ? ad esempio di tipo Michelson, specificamente progettato per avere una rivelazione bilanciata attraverso un controllo della polarizzazione del fascio laser. Furthermore, the sensor 1 includes an interferometer 11 (visible in figures 2 and 3) and a second laser 10, called reading laser. The interferometer 11? used together with the second laser 10 to detect the oscillation of the transducer 6 interferometrically. The second laser 10 ? preferably a low power laser, for example, a HeNe laser or a laser diode. The interferometer 11? for example of the Michelson type, specifically designed to have balanced detection through control of the polarization of the laser beam.
Un diagramma dettagliato dell'interferometro ? mostrato nelle figure 2 e 3. A detailed diagram of the interferometer ? shown in figures 2 and 3.
Il secondo laser 10 ? configurato per emettere un secondo fascio laser di lettura 12, illustrato come frecce nelle figure 1-3. Inoltre, l'interferometro 11 comprende un primo braccio 13 e un secondo braccio 14, aventi uguale lunghezza (con riferimento alla figura 3, il primo braccio va da P2-MEMS-P2 e il secondo braccio ? P2-M2-P2). Il primo braccio 13 termina con il trasduttore MEMS 6. Quest'ultimo, come scritto sopra, ha un rivestimento riflettente e agisce come specchio parzialmente riflettente. Il secondo braccio 14 include uno specchio mobile 19 ? un attuatore 20. Il secondo braccio 14 termina con lo specchio mobile 19 montato sull?attuatore 16, per esempio un cristallo piezoelettrico. The second laser 10 ? configured to emit a second reading laser beam 12, illustrated as arrows in Figures 1-3. Furthermore, the interferometer 11 includes a first arm 13 and a second arm 14, having equal length (with reference to figure 3, the first arm goes from P2-MEMS-P2 and the second arm is P2-M2-P2). The first arm 13 ends with the MEMS transducer 6. The latter, as written above, has a reflective coating and acts as a partially reflecting mirror. The second arm 14 includes a movable mirror 19? an actuator 20. The second arm 14 ends with the mobile mirror 19 mounted on the actuator 16, for example a piezoelectric crystal.
L'interferometro 11, comprende un primo polarizzatore 22. Dopo che ? stato emesso, il secondo fascio laser 12 incide sul primo polarizzatore 22 che agisce come filtro per la polarizzazione iniziale del fascio laser, cos? che il secondo fascio laser 12 che esce dal primo polarizzatore ha una polarizzazione lineare, per esempio verticale. Cos?, in riferimento alle figure 3 e 4, il fascio trasmesso dal primo polarizzatore e rivelato nel punto P1 ha una polarizzazione lineare. The interferometer 11 includes a first polarizer 22. After that? been emitted, the second laser beam 12 affects the first polarizer 22 which acts as a filter for the initial polarization of the laser beam, thus? that the second laser beam 12 emerging from the first polarizer has a linear polarization, for example vertical. Thus, with reference to figures 3 and 4, the beam transmitted by the first polarizer and detected at point P1 has a linear polarization.
L'interferometro 11, comprende una prima lamina a ritardo di fase 23 e un primo divisore di fascio 24, uno specchio mobile 19, un attuatore 20 che muove lo specchio 19. Il secondo fascio trasmesso dal primo polarizzatore 22 e incidente sulla lamina al ritardo di fase 23 vede la sua polarizzazione ruotata (23 ? preferibilmente una lamina a quarto d'onda). Cos? una misura del secondo fascio nel punto P2 risulterebbe in uno stato a polarizzazione lineare che forma un certo angolo con la direzione verticale. L'interferometro 11 comprende anche un primo divisore di fascio 24 che divide il secondo fascio polarizzato linearmente 12 in un primo e un secondo secondo fascio diviso 50, 51. Il primo secondo fascio diviso 50 ? diretto verso il trasduttore 6 e il secondo secondo fascio diviso 51? diretto verso lo specchio mobile 19. The interferometer 11 includes a first phase delay plate 23 and a first beam splitter 24, a mobile mirror 19, an actuator 20 which moves the mirror 19. The second beam transmitted by the first polarizer 22 and incident on the delay plate of phase 23 sees its polarization rotated (23 is preferably a quarter-wave plate). What? a measurement of the second beam at point P2 would result in a linearly polarized state making a certain angle with the vertical direction. The interferometer 11 also includes a first beam splitter 24 which divides the second linearly polarized beam 12 into first and second second beams split 50, 51. The first second beam split 50? directed towards the transducer 6 and the second second split beam 51? directed towards the mobile mirror 19.
Lo specchio mobile 19 ? montato su uno stadio mobile (non mostrato) che gli permette di muoversi in direzione longitudinale rispetto al secondo secondo fascio diviso (in questo modo ? possibile aggiustare la lunghezza del secondo braccio 14). I movimenti sono attuati da un attuatore 20, ad esempio, un trasduttore piezoelettrico. Il trasduttore piezoelettrico permette movimenti fini (micrometrici o sub micrometrici) dello specchio mobile 19. In questo modo il cammino ottico definito dal secondo braccio 14 pu? essere variato. The mobile mirror 19? mounted on a mobile stage (not shown) which allows it to move in a longitudinal direction with respect to the second second split beam (in this way it is possible to adjust the length of the second arm 14). The movements are implemented by an actuator 20, for example, a piezoelectric transducer. The piezoelectric transducer allows fine movements (micrometric or sub micrometric) of the mobile mirror 19. In this way the optical path defined by the second arm 14 can be varied.
Seguendo adesso il primo secondo fascio diviso nel primo braccio 50, questo incide sul trasduttore 6. Un'ottica opportuna (non mostrata nel disegno) pu? essere collocata di fronte al trasduttore 6 per focalizzare il primo secondo fascio diviso 50 sul trasduttore 6. Now following the first second beam divided into the first arm 50, this affects the transducer 6. An appropriate optics (not shown in the drawing) can? be placed in front of transducer 6 to focus the first second beam divided by 50 onto transducer 6.
Dopo il primo divisore di fascio 24, il primo secondo fascio diviso ? polarizzata orizzontalmente, come pu? essere ad esempio rivelato nel punto P3a visibile nelle figure 3 e 4. Nel suo cammino verso il trasduttore 6 il primo secondo fascio diviso 50 incide su una seconda lamina a ritardo di fase 25 (lamina a quarto d'onda) che ruota la sua polarizzazione di nuovo. Esso poi incide sul trasduttore 6 e forma un primo secondo fascio diviso retro-riflesso 50?. After the first beam splitter 24, the first second beam split ? horizontally polarized, how can it? be detected for example at the point P3a visible in figures 3 and 4. On its way towards the transducer 6 the first second beam divided 50 impinges on a second phase delay plate 25 (quarter-wave plate) which rotates its polarization again. It then impinges on the transducer 6 and forms a first second split retro-reflected beam 50?.
Il primo secondo fascio diviso retro-riflesso50? ripercorre all?indietro il primo braccio 13 dell?interferometro 11 e va di nuovo verso la seconda lamina a ritardo di fase 25, cos? che la sia polarizzazione viene ruotata nuovamente (vedi il punto P5A nelle figure 3 e 4). Quando raggiunge il primo divisore di fascio 24, il primo secondo fascio diviso retro-riflesso 50? non ritorna verso il secondo laser ma continua lungo l'interferometro. The first second retro-reflected split beam50? it retraces the first arm 13 of the interferometer 11 backwards and goes again towards the second phase delay plate 25, thus that the polarization is rotated again (see point P5A in figures 3 and 4). When it reaches the first beam splitter 24, the first second retro-reflected split beam 50? it does not return towards the second laser but continues along the interferometer.
La seconda porzione del secondo fascio 51 viaggia lungo il secondo braccio 14 dell'interferometro 11. Dopo il primo divisore di fascio 24, il secondo secondo fascio diviso ? polarizzato verticalmente, come pu? essere rivelato, ad esempio nel punto P3B visibile nelle figure 3 e 4. Nel suo cammino verso lo specchio mobile 19 il secondo secondo fascio diviso 51 incide su una terza lamina 26 (lamina quarto d'onda) che ruota la sua polarizzazione di nuovo (vedi punto P4B). Esso, quindi, incide su un'ulteriore specchio 27 e alla fine sullo specchio mobile 19, dove forma un secondo secondo fascio diviso retro-riflesso 50?. The second portion of the second beam 51 travels along the second arm 14 of the interferometer 11. After the first beam splitter 24, the second second split beam is ? vertically polarized, how can it? be detected, for example at the point P3B visible in figures 3 and 4. On its way towards the moving mirror 19 the second second split beam 51 impinges on a third plate 26 (quarter-wave plate) which rotates its polarization again ( see point P4B). It, therefore, impacts on a further mirror 27 and finally on the mobile mirror 19, where it forms a second second split retro-reflected beam 50?.
Il secondo secondo fascio diviso retro-riflesso 51? ripercorre all?indietro il secondo braccio 14 dell?interferometro 11 e va di nuovo verso la terza lamina 26, cos? che la sua polarizzazione ? ruotata di nuovo (vedi il punto P5B delle figure 3 e 4). Quando raggiunge il primo divisore di fascio 24, il secondo secondo fascio diviso retro-riflesso 51? non ritorna verso il secondo laser, ma continua lungo l?interferometro. The second retro-reflected split second beam 51? it retraces the second arm 14 of the interferometer 11 backwards and goes again towards the third plate 26, thus? that its polarization? rotated again (see point P5B of figures 3 and 4). When it reaches the first beam splitter 24, the second second retro-reflected split beam 51? it does not return towards the second laser, but continues along the interferometer.
Le lamine 25 e 26 sono lamine a quarto d?onda, in modo che il primo secondo fascio diviso retro-riflesso 50? che ? riflesso dal trasduttore 6 e il secondo secondo fascio diviso retro-riflesso 51? che ? riflesso dallo specchio mobile 19 ritornino al primo divisore di fascio 24 con polarizzazioni lineari, ruotate di 90?. The plates 25 and 26 are quarter-wave plates, so that the first second retro-reflected split beam 50? That ? reflected from the transducer 6 and the second second retro-reflected split beam 51? That ? reflected by the movable mirror 19 return to the first beam splitter 24 with linear polarizations, rotated by 90?.
A questo punto, il primo divisore di fascio 24 ricombina il primo secondo fascio diviso retro-riflesso 50? e il secondo secondo fascio diviso retro-riflesso 51? dai due bracci 13,14 e lo dirige sui rivelatori, descritti nel dettaglio di seguito. Dopo la ricombinazione, il fascio retroriflesso ricombinato passa attraverso una lamina a quarto d?onda 18, che ruota la sua polarizzazione. Il fascio ricombinato incontra un secondo divisore di fascio 29, cosicch? il secondo divisore di fascio divide il fascio ricombinato in due parti, di uguale intensit?. La prima parte ? chiamata primo fascio di interferenza 52 e la seconda parte ? chiamata secondo fascio di interferenza 53. La polarizzazione dei due raggi 52, 53 ? una ortogonale all?altra, per esempio, come descritto nei punti P8 e P9, una polarizzazione ? verticale e l?altra orizzontale At this point, the first beam splitter 24 recombines the first second retro-reflected split beam 50? and the second second retro-reflected split beam 51? from the two arms 13,14 and directs it to the detectors, described in detail below. After recombination, the recombined retroreflected beam passes through a quarter-wave plate 18, which rotates its polarization. The recombined beam encounters a second beam splitter 29, so that the second beam splitter divides the recombined beam into two parts, of equal intensity. The first part ? called the first interference beam 52 and the second part ? called second interference beam 53. The polarization of the two beams 52, 53 is one orthogonal to the other, for example, as described in points P8 and P9, a polarization? vertical and the other horizontal
L?interferometro 11 comprende un primo e un secondo rivelatore, 30, 31. Preferibilmente, il primo e il secondo rivelatore sono usati per rivelazione bilanciata. Il primo e il secondo fascio di interferenza 52, 53 incontrano il primo e il secondo rivelatore, rispettivamente 30 , 31. Gli specchi 32, 33 possono essere usati per direzionare i fasci 52, 53 sui rivelatori 30, 31. The interferometer 11 comprises a first and a second detector, 30, 31. Preferably, the first and second detectors are used for balanced detection. The first and second interference beams 52, 53 meet the first and second detectors, 30, 31 respectively. The mirrors 32, 33 can be used to direct the beams 52, 53 onto the detectors 30, 31.
Il sensore 1 comprende poi una scheda elettronica 40. Il primo e il secondo rivelatore 30, 31 sono montati sulla scheda elettronica 40. The sensor 1 then includes an electronic board 40. The first and second detectors 30, 31 are mounted on the electronic board 40.
I rivelatori 30, 31 generano segnali che possono essere estratti e acquisiti. I segnali di interesse sono i seguenti: il segnale da ciascun rivelatore (primo e secondo rivelatore) e il segnale differenza chiamato D2-D1. Quest?ultimo ? la diretta sottrazione delle due fotocorrenti del primo e secondo rivelatore 30, 31. The detectors 30, 31 generate signals that can be extracted and acquired. The signals of interest are the following: the signal from each detector (first and second detector) and the difference signal called D2-D1. The latter ? the direct subtraction of the two photocurrents of the first and second detectors 30, 31.
L?analisi viene effettuata come di seguito. I segnali dal primo e secondo rivelatore 30, 31 sono usati per controllare i due singoli bracci 13, 14 dell?interferometro 11, sia durante la fase di allineamento che durante la differenza (D2-D1), in condizioni di perfetto bilanciamento, ? un segnale di fondo nullo e pu? essere usato sia per registrare le linee di assorbimento spettroscopico che come segnale di riferimento per l?aggancio elettronico, come spiegato in dettaglio in seguito. The analysis is carried out as follows. The signals from the first and second detectors 30, 31 are used to control the two individual arms 13, 14 of the interferometer 11, both during the alignment phase and during the difference (D2-D1), in conditions of perfect balance, ? a zero background signal and can? be used both to record spectroscopic absorption lines and as a reference signal for electronic locking, as explained in detail below.
Il sensore 1 include quindi un sistema di rivelazione 60, illustrato in figura 2. Il sistema di rivelazione 60 include un sistema di acquisizione digitale 61, per esempio un oscilloscopio, al quale viene inviato il segnale proveniente da uno dei due rivelatori 30,31 per controllare l?allineamento; il segnale proveniente dall?altro rivelatore ? inviato a un amplificatore lock-in 62, che lo demodula. L?amplificatore lock-in 62 fornisce in uscita o la derivata prima (demodulazione 1f) o la derivata seconda (demodulazione 2f) del segnale dell?assorbimento molecolare di interesse del gas 3. Questo ? il segnale che viene usato nell?analisi spettroscopica della concentrazione del gas. Un esempio di questo segnale demodulato ? riportato per esempio in figura 15. The sensor 1 therefore includes a detection system 60, illustrated in figure 2. The detection system 60 includes a digital acquisition system 61, for example an oscilloscope, to which the signal coming from one of the two detectors 30,31 is sent to check the alignment; the signal coming from the other detector ? sent to a lock-in amplifier 62, which demodulates it. The lock-in amplifier 62 provides as output either the first derivative (1f demodulation) or the second derivative (2f demodulation) of the molecular absorption signal of interest for gas 3. This is the signal that is used in the spectroscopic analysis of the gas concentration. An example of this demodulated signal? shown for example in figure 15.
Il segnale differenza D2-D1 ? usato per stabilizzare l?interferometro 11 attraverso un circuito di aggancio. Gli elementi del circuito di aggancio sono: un circuito di guadagno Proporzionale Integrato Derivato (PID) 63,e un controllore di tensione 64 per l?attuatore piezoelettrico 20. Il circuito di aggancio comanda il piezoelettrico 20 che agisce sullo specchio mobile 19 e aggiusta il cammino ottico del secondo secondo fascio diviso 51 e del secondo secondo fascio diviso retroriflesso 51?, in modo da avere sui rivelatori 30,31 un?interferenza che corrisponda a un punto di lavoro desiderato. The difference signal D2-D1 ? used to stabilize the interferometer 11 through a locking circuit. The elements of the locking circuit are: a Proportional Integrated Derivative (PID) gain circuit 63, and a voltage controller 64 for the piezoelectric actuator 20. The locking circuit controls the piezoelectric 20 which acts on the moving mirror 19 and adjusts the optical path of the second second split beam 51 and of the second second retroreflected split beam 51?, so as to have an interference on the detectors 30,31 that corresponds to a desired working point.
Una versione preferibile fissa il punto di lavoro a mezza frangia. Questa condizione corrisponde alla massima linearit? e alla massima risposta dinamica dell?interferometro e permette l?effettiva rivelazione di oscillazioni del trasduttore 6: qualsiasi variazione avviene rispetto al punto di massima pendenza del segnale (punto di massima pendenza del segnale di interferenza sinusoidale). L?aggancio permette la stabilizzazione dell'interferometro nella condizione ottimale di risposta e , allo stesso tempo, corregge le piccole derive (dovute a fluttuazioni di temperatura, per esempio) che porterebbe a un progressivo disallineamento nel tempo. E? quindi un sistema ideale per mantenere condizioni di lavoro stabili e ottimizzate, cos? premettendo applicazioni in campo o richiedenti tempi di acquisizione lunghi (per una maggiore sensibilit? di rivelazione). I parametri di aggancio sono ottimizzati al punto di lavoro scelto (frequenza di risonanza e modi di risonanza meccanica) in modo da ottenere il massimo rapporto segnale rumore avvantaggiandosi del fondo minore e di una minore sensibilit? al rumore acustico e ambientale. A preferable version fixes the working point at half fringe. Does this condition correspond to maximum linearity? and to the maximum dynamic response of the interferometer and allows the effective detection of oscillations of the transducer 6: any variation occurs with respect to the point of maximum slope of the signal (point of maximum slope of the sinusoidal interference signal). The coupling allows the stabilization of the interferometer in the optimal response condition and, at the same time, corrects small drifts (due to temperature fluctuations, for example) which would lead to a progressive misalignment over time. AND? therefore an ideal system for maintaining stable and optimized working conditions, so? allowing for applications in the field or requiring long acquisition times (for greater detection sensitivity). The locking parameters are optimized at the chosen operating point (resonance frequency and mechanical resonance modes) in order to obtain the maximum signal to noise ratio taking advantage of the lower background and lower sensitivity. to acoustic and environmental noise.
La Figura 22 mostra diverse versioni del trasduttore 6, in cui l?elemento riflettente 6d ? una membrana connessa direttamente alla camera, cio? senza una prima struttura di sospensione. Figure 22 shows different versions of the transducer 6, in which the reflecting element 6d is a membrane connected directly to the chamber, that is? without a first suspension structure.
La figura 23 mostra ulteriori versioni del trasduttore 6, in cui il componente principale 6c comprende una prima struttura di sospensione 16 fra l?elemento riflettente 6d e la camera. Figure 23 shows further versions of the transducer 6, in which the main component 6c includes a first suspension structure 16 between the reflecting element 6d and the chamber.
La figura 24 mostra un esempio di forma di realizzazione del trasduttore 6, in cui la prima struttura di sospensione 16 ha la forma di una spirale e collega l?elemento riflettente 6d alla camera. Figure 24 shows an example of an embodiment of the transducer 6, in which the first suspension structure 16 has the shape of a spiral and connects the reflecting element 6d to the chamber.
Le Figure 25a e 25b si riferiscono all?acquisizione spettroscopica di una linea di N2O. Figures 25a and 25b refer to the spectroscopic acquisition of an N2O line.
In particolare, la figura 25a mostra un?acquisizione in risonanza (modulazione di frequenza uguale alla prima risonanza del cantilever) mentre la figure 25b mostra un?acquisizione fuori risonanza, in cui: In particular, figure 25a shows an acquisition in resonance (frequency modulation equal to the first resonance of the cantilever) while figure 25b shows an acquisition out of resonance, in which:
? Condizioni del gas: 200 ppm di N2O in N2 ? Gas conditions: 200 ppm N2O in N2
? p= 20 mbar ? p= 20 mbar
? tempo di integrazione = 30 ms ? integration time = 30 ms
Le figure 26a e 26b si riferiscono a un?ulteriore acquisizione spettroscopica di una linea di N2O. Figures 26a and 26b refer to a further spectroscopic acquisition of an N2O line.
In particolare, la figura 26a mostra un?acquisizione in risonanza (modulazione di frequenza uguale alla terza risonanza del cantilever) mentre la figura 26b mostra un?acquisizione fuori risonanza, in cui: In particular, figure 26a shows an in-resonance acquisition (frequency modulation equal to the third resonance of the cantilever) while figure 26b shows an out-of-resonance acquisition, in which:
? Condizioni del gas: 200 pmm di N2O in N2 ? Gas conditions: 200 pmm N2O to N2
? p= 20mbar ? p= 20mbar
? Tempo di integrazione= 30 ms ? Integration time= 30 ms
Esempio 1 Example 1
E? stato studiato il seguente gas. AND? The following gas was studied.
Laser a cascata quantica (QCL) operante a 4526 nm accordabile nell?intervallo 4520-4539 nm. La frequenza del laser viene spazzata intorno alla transizione del N2O a 4526.86 nm (2209.523 cm-1) in una cella contenente il campione di gas a una pressione fissa (13 mbar in questo caso) per l?intera durata della misura. Per queste misure ? stato usato un cantilever di silicio rettangolare di dimensioni 2mm x 4 mm e 10 ?m di spessore, ed ? stata scelta la risonanza meccanica di terzo ordine. Il punto di aggancio del Michelson (segnale differenziale) ? posto a zero. Per il test ? stato usato un campione di gas di N2O (concentrazione 200 ppm) in N2 secco. Il secondo laser che interroga l?interferometro di Michelson ? un laser HeNe che emette a lunghezza d?onda 633 nm. Quantum cascade laser (QCL) operating at 4526 nm tunable in the range 4520-4539 nm. The laser frequency is swept around the N2O transition at 4526.86 nm (2209.523 cm-1) in a cell containing the gas sample at a fixed pressure (13 mbar in this case) for the entire duration of the measurement. For these measures? a rectangular silicon cantilever measuring 2mm x 4mm and 10 ?m thick was used, and? third-order mechanical resonance was chosen. The Michelson locking point (differential signal) ? set to zero. For the test? A sample of N2O gas (concentration 200 ppm) in dry N2 was used. The second laser that interrogates the Michelson interferometer is ? a HeNe laser that emits at a wavelength of 633 nm.
Sono riportati esempi di misure ripetute in condizioni standard non agganciate (figura 16) e agganciate (figure 17).Le linee tratteggiate rappresentano la rampa triangolare che spazza la frequenza del fascio laser di eccitazione intorno alla transizione molecolare del gas di interesse. Questo confronto mostra il beneficio della condizione di aggancio in termini di stabilit? dell?ampiezza del segnale su misure ripetute. La forte variazione dell'ampiezza del segnale su acquisizioni ripetute in condizioni standard non agganciate (figura 16), che invalida anche la calibrazione, ? corretta dalle condizioni agganciate (figura 17). Examples of repeated measurements in standard non-locked (figure 16) and locked (figure 17) conditions are shown. The dotted lines represent the triangular ramp that sweeps the frequency of the excitation laser beam around the molecular transition of the gas of interest. Does this comparison show the benefit of the docking condition in terms of stability? of the signal amplitude on repeated measurements. The strong variation of the signal amplitude on repeated acquisitions in standard non-locked conditions (figure 16), which also invalidates the calibration, ? corrected by the docked conditions (figure 17).
Esempio 2 Example 2
QCL operante nelle stesse condizioni dell?esempio 1. La cella ? chiusa a una pressione di gas pari a 15 mbar. Anche per queste misure, ? stata scelta la risonanza meccanica di terzo ordine. Il punto di aggancio del Michelson ? di nuovo posto a zero (segnale differenziale). Confronto dimostrativo tra misure ripetute in condizioni standard non agganciate (figura 18) e agganciate (figura 19). Il rapporto segnale rumore su una singola acquisizione del grafico in figura 18 ? 40, da confrontare al rapporto segnale rumore pari a 180 per una singola acquisizione del grafico di figura 19. QCL operating in the same conditions as example 1. The cell is closed at a gas pressure of 15 mbar. Even for these measures, ? third-order mechanical resonance was chosen. The Michelson attachment point? again set to zero (differential signal). Demonstrative comparison between repeated measurements in standard undocked (figure 18) and docked (figure 19) conditions. The signal to noise ratio on a single acquisition of the graph in figure 18? 40, to be compared to the signal to noise ratio of 180 for a single acquisition of the graph in figure 19.
Esempio 3 Example 3
Usando il metodo di figura 20, il trasduttore 6 pu? essere realizzato nel politipo 3C del carburo di silicio cresciuto eteroepitassiamente su una fetta di silicio. Using the method of figure 20, the transducer 6 can be made in the 3C polytype of silicon carbide grown heteroepitaxis on a silicon wafer.
Uno strato eteroepitassiale di 3C-SiC 71, cresciuto su una fetta 70 di silicio ha due superfici 70a e 70b. La superficie 70a ? fatta di silicio e la superficie 70b ? fatta di 3C-SIC. La superficie 70b ? scavata mediante una maschera, preparata per via fotolitografica usando una resina fotosensibile 72 adatta, per dare allo strato di SiC la forma desiderata. La superficie 70? ? scavato attraverso una maschera 63. Le porzioni di carburo di silicio 70b rimanenti sono quindi coperte da un rivestimento 74 cosicch? il trasduttore 6 abbia una superficie riflettente. A heteroepitaxial layer of 3C-SiC 71 grown on a silicon wafer 70 has two surfaces 70a and 70b. The surface 70a ? made of silicon and the surface 70b ? made of 3C-SIC. The surface 70b ? excavated using a mask, prepared photolithographically using a suitable photosensitive resin 72, to give the SiC layer the desired shape. The surface 70? ? hollowed out through a mask 63. The remaining silicon carbide portions 70b are then covered by a coating 74 so that the transducer 6 has a reflective surface.
La superficie di SIC 70b pu? essere scavata mediante attacco in un plasma di CHF3 e O2; la superficie di silicio 70? pu? essere scavata in maniera anisotropa mediante un attacco a secco usando la chimica standard per scavare il silicio (ad esempio miscele di gas a base di fluoro e cloro); il silicio pu? essere scavato in maniera anisotropa mediante un attacco umido, ad esempio in soluzioni di TMAH, KOH, NaOH. The surface of SIC 70b can? be excavated by etching in a plasma of CHF3 and O2; the silicon surface 70? can? be anisotropically gouged by dry etching using standard silicon gouging chemistry (e.g. fluorine and chlorine gas mixtures); silicon can? be excavated anisotropically by wet etching, for example in solutions of TMAH, KOH, NaOH.
I passi contrassegnati da un asterisco non sono eseguiti nella fabbricazione di una membrana. Steps marked with an asterisk are not performed in the fabrication of a membrane.
Esempio 4 Example 4
Una fetta di silicio su isolante (SOI) (75) ha due facce: 75a ? costituita da un sottile strato detto ?device? in silicio su uno strato sepolto di SiO2 (75c); 70b ? un substrato di silicio detto ?handle? spesso diverse centinaia di micrometri. Uno strato di SiO2 76 ? deposto sulla superficie 75a. Lo strato di SiO2 76, la superficie 75a e lo strato sepolto di SIO275c sono scavate mediante attacco chimico attraverso uno strato maschera 77 realizzato con una resina fotosensibile adatta. Viene deposto uno strato di SIO2 conformale 78 per ricoprire la superficie e le pareti verticali dello strato ?device? 75a, e la superficie superiore del substrato ?handle? 75b. lo strato di SIO2 negli scavi / sulla superficie del substrato di supporto ? 78a. Viene effettuato uno scavo a secco al fine di rimuovere lo strato da 78a. Il rimanente SiO2 ? lo strato che ferma l?attacco chimico per lo scavo del substrato ?handle? dal retro 75b. Il substrato ?handle?o 75b ? scavato per via fotolitografica mediante attacco chimico attraverso uno strato di resina fotosensibile 79 adatta. Lo strato che ferma l?attacco 78 e lo strato sepolto di SiO2 rimanenti sono rimossi mediante attacco umido. La superficie del MEMS 75a ? ricoperta da uno strato di metallo adatto. A wafer of silicon on insulator (SOI) (75) has two faces: 75a ? made up of a thin layer called ?device? in silicon over a buried layer of SiO2 (75c); 70b ? a silicon substrate called ?handle? often several hundred micrometers. A layer of SiO2 76 ? deposited on surface 75a. The SiO2 layer 76, the surface 75a and the buried SIO275c layer are excavated by chemical etching through a mask layer 77 made of a suitable photosensitive resin. A layer of conformal SIO2 78 is deposited to cover the surface and vertical walls of the ?device? layer. 75a, and the upper surface of the substrate ?handle? 75b. the SIO2 layer in the excavations / on the surface of the supporting substrate? 78a. A dry excavation is carried out in order to remove the 78a layer. The remaining SiO2 ? the layer that stops the chemical attack for the excavation of the substrate ?handle? from the back 75b. The substrate ?handle?o 75b ? excavated photolithographically by chemical etching through a layer of suitable photosensitive resin 79. The etching stop layer 78 and the remaining buried SiO2 layer are removed by wet etching. The surface of the MEMS 75a? covered with a suitable layer of metal.
Gli strati di silicio 75a e 75b possono essere scavati mediante un attacco con ioni reattivi (reactive ion etching) effettuando un processo Bosch. Il substrato ?handle? di silicio 75c pu? essere altres? scavato mediante un attacco chimico umido in soluzioni di TMAH, KOH, o NaOH. Il SIO275c, 76 e 78 pu? essere scavato mediante attacco chimico umido in HF o mediante attacco chimico a secco in una miscela di gas a base di fluoro (ad esempio SF6, CHF3). The silicon layers 75a and 75b can be etched using reactive ion etching using a Bosch process. The substrate ?handle? of silicon 75c can? be otherwise? excavated by wet chemical etching in solutions of TMAH, KOH, or NaOH. The SIO275c, 76 and 78 can? be excavated by wet etching in HF or by dry etching in a fluorine-based gas mixture (e.g. SF6, CHF3).
I passi contrassegnati da asterisco non sono eseguiti nella fabbricazione di una membrana. The steps marked with an asterisk are not performed in the fabrication of a membrane.
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Also Published As
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| WO2023126455A1 (en) | 2023-07-06 |
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